К сожалению, увеличение возраста мировой популяции сопровождается увеличением болезней, включая сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, рак и иммунные нарушения (North & Sinclair, 2012). Ожидается во всех странах увеличение количества индивидов старше 65. Напр., количество американцев старше 65, как полагают, удвоится между 2000 и 2030 (Wang et al, 2010a) а в Европе к 2050 будет менее 48 миллионов в возрасте 15-64 лет и более 58 миллионов человек старше 65. Это приведет к увеличению связанных с возрастом болезней во всем мире.

Несмотря на увеличение доказательств, что старение основной фактор риска для болезней человека, мало известно от молекулярных механизмах, которые связывают процесс старения с болезнями. Исследователи старения в основном ограничиваются в основном не долго живущими организмами, такими как малые нематоды Caenorhabditis elegans. Короткая продолжительность их жизни в 21 день и возможность изучения мутантов с коротким и длинным периодом жизни, делает червей идеальной моделью для идентификации генетических путей, которые модулируют старение. Важно, что большинство из этих путей эволюционно законсервированы у разных видов, включая и млекопитающих. Передача сигналов insulin/insulin-like growth factor (IGF) и сигнальные пути 'target of rapamycin' TOR изучены достаточно глубоко. Показано, что ингибирование этих путей может увеличить продолжительность жизни у модельных организмов (Kenyon, 2010). Кроме того, основные вмешательства, которые увеличивают продолжительность жизни, затрагивают один или оба эти пути. Напр.. сигнальный каскад TOR участвует в увеличении продолжительности жизни при ограничении пищи, это, по-видимому, универсально связано с продолжительностью жизни у некоторых организмов, включая млекопитающих (Blagosklonny et al, 2009). Др. процессы, участвующие в старении, включают митохондриальный транспорт электронов и дыхание (Hughes & Hekimi, 2011; Moslehi et al, 2012).

Ключевым компонентом процесса старения является клеточное старение. Старение не происходит одновременно во всех клетках внутри ткани, а использует необратимый арест пролиферации поврежденных или нефункциональных клеток (Rodier & Campisi, 2011). Это вносит вклад в ограничение злокачественной прогрессии опухолей, но также ведет к к накоплению старых клеток внутри ткани. Старые клетки не полностью недавние доказательства показывают, что они могут активно способствовать старению и повреждению ткани (Baker et al, 2011). Целенаправленное удаление старых клеток может задерживать проявление фенотипических отклонений, связанных с возрастом и дисфункцией органов. Старение клеток связано со сложными изменениями в морфологии, структуре и функции клеток (Rodier & Campisi, 2011). Большинство структурных изменений, такие как потеря концов хромосом (эрозия теломер) сопровождается необратимым арестом роста старых клеток. Эрозии теломер может противостоять активность теломеразы, которая эндогенно экспрессируется в эмбриональных стволовых клетках и раковых клетоках и может обращать клеточное старение в соматических клетках при избыточной экспрессии (Boccardi & Herbig, 2012; Martinez & Blasco, 2011). Интересно, что дисфункция теломер также связана с метаболическими изменениями, указывая тем самым на взаимодействие между этими двумя процессами (Moslehi et al, 2012). Дополнительные факторы участвуют в изменениях процессинга белка, экспрессии генов и миРНК. Поскольку факторы, приводящие к клеточному старению, становятся всё яснее, становится очевидным, что дисфункция тех же самых путей может происходить при болезненных состояниях. Некоторые микроРНК (miRNAs) участвуют в регуляции путей, участвующих в клеточном старении и оказывают влияние на ход клеточного цикла. Кроме того, крупные изменения в экспрессии miRNA участвуют в возникновении болезненных фенотипов у модельных организмов и были обнаружены в тканях от больных индивидов.

MicroRNAs

MicroRNAs (miRNAs, miRs) небольшие, не кодирующие РНК, которые контролируют экспрессию генов после транскрипции, блокируя трансляцию или индуцируя целенаправленно деградацию мРНК (rev. Bartel, 2009). В целом, miRs транскрибируются как первичные транскрипты с помощью RNA polymerase II. Этот первичный транскрпт затем преобразуется с помощью эндонуклеаз Drosha и Dicer, приводя к генерации коротких РНК дуплексов. Одна нить дуплекса загружается на RNA-induced silencing complex (RISC), чтобы связаться с мРНК мишенью, тогда как др. нить обычно (но не всегда) деградирует. Регуляция биосинтеза miRNA и биохимический способ действия известны в деталях (e.g. see Ambros, 2004; Bartel, 2009; Bauersachs & Thum, 2011).

Небольшая некодирующая miRNA lin-4 впервые была описана у Caenorhabditis elegans как регуляторный ген, важный для прохождения всех личиночных стадий. Во время развития, lin-4 пост-транскрипционно воздействует на ядерный фактор LIN-14 и тем самым контролирует пост-эмбриональные паттерны клеточных клонов (Lee et al, 1993). С тех пор идентифицировано почти 2000 miRNAs у млекопитающих. MiRNAs играют ключевые роли в регуляции развития и тканевом гомеостазе, а нарушение регуляции miRNAs участвует в патофизиологии различных болезней, таких как рак, сердечно-сосудистые, нейрологические и метаболические болезни (Bonauer et al, 2010; Gascon & Gao, 2012; Hйbert & De Strooper, 2009; Iorio & Croce, 2012; Thum, 2012). Базируясь на идентификации болезнь регулирующих miRNAs, тестировали возможность использования miRNAs в качестве терапевтического подхода на экспериментальных моделях болезней, в частности путем ингибирования miRNAs с помощью антисмысловых 'anti-miRs' или 'antagomirs' и было показано улучшение болезненного состояния у модельных мышей (Thum, 2012; van Rooij et al, 2008). Важно, что локализованные ингибиторы нуклеиновых кислот, направленные против miR-122, были успешно использованы для лечения гепатита у не человекообразных приматов в Phase II клинических испытаний (NCT01200420; Lindow & Kauppinen, 2012), подтвердив, что модуляция miRNAs может быть терапевтической. Нарушение регуляции miRNAs, как было установлено, происходит во время клеточного старения и старения вообще in vivo.

MiRNAs and aging

Старение является биологическим процессом, регулируемого с помощью множественных эволюционно консервативных механизмов. Большинство участвующих сигнальных путей конвергирует на сенсорах питательных веществ, которые контролируют внутриклеточный метаболизм и экспрессию генов (Bano et al, 2011; Kenyon, 2010). Продолжительность жизни C. elegans регулируется с помощью передачи сигналов Insulin/IGF-1 (IIS; rev. Kenyon, 2010). DAF-2 (insulin receptor-like protein) регулирует экспрессию транскрипционных факторов abnormal dauer formation-16 (DAF-16) и heat shock factor-1 (HSF-1; Hsu et al, 2003). Потеря функции daf-2 увеличивает продолжительность жизни, тогда как избыточная функция daf-16 необходима для увеличения выживаемости, этому может противодействовать daf-2 у дикого типа C. elegans (Lin et al, 2001). Недавние доказательства показали, что miRNAs могут вносить вклад в регуляцию продолжительности жизни. У C. elegans, потеря функции гетерохронного гена lin-4 существенно укорачивает продолжительность жизни, тогда как избыточная экспрессия lin-4 расширяет продолжительность жизни нематод. Как было продемонстрировано с помощью анализа эпистаза, такое модулирование продолжительности жизни нуждается в lin-4 гене мишени lin-14 (Boehm & Slack, 2005). Хотя всё ещё неясно, с помощью какого механизма ось lin-4/lin-14 контролирует старение, эти два временных регулятора развития генетически взаимодействуют с некоторыми компонентами Insulin/IGF-1 сигнальных путей. Фактически, потеря функции lin-14 неспособна влиять на жизнеспособность долго живущих Insulin/IGF-1 , дефицитных по daf-2 (e1370) мутантов, но она нуждается в нижестоящей мишени DAF-16/FOXO, чтобы удлинить продолжительность жизни C. elegans. Хотя большинство miRNAs несущественно для нормальной продолжительности жизни, некоторые др. miRNAs могут влиять на продолжительность жизни нематод посредством транскрипции, обеспечиваемой DAF-16/FOXO геном (de Lencastre et al, 2010). Среди них, miR-71 удивительным образом координирует продолжительность жизни клеточно неавтономным способом. У дикого типа C. elegans потеря функции miR-71 существенно снижает резистентность как к тепловому шоку, так и оксидативным стрессам. Интересно, что miR-71 устраняет увеличение продолжительности жизни животных, лишенных зародышевой линии. Т.о., вместе с секретируемыми сигналами от репродуктивной системы, miR-71, скорее всего, воздействует на неизвестные факторы в нервной системе и как результат координирует перераспределение в ядре DAF-16/FOXO в кишечнике, основной жировой ткани у нематод (Boulias & Horvitz, 2012).

Между тем различные miRNAs были идентифицированы с помощью микромассивов или глубокого секвенирования, которые регулируются во время старения C. elegans (Ibanez-Ventoso et al, 2006; Kato et al, 2011). В частности, let-7 подавляется по мере старения (Ibanez-Ventoso et al, 2006; Kato et al, 2011), это согласуется с известной функцией let-7 в супрессии рецептора стероидных гормонов daf-12 и , следовательно, продолжительности жизни. Интересно, что у мышей let-7 воздействует на различные компоненты пути Insulin/IGF-1/mTOR посредством РНК-связывающего белка Lin28 (Zhu et al, 2011), с важным следствием для метаболизма глюкозы. Мышцы, обогащенные miR-1, также уменьшаются во время старения (Ibanez-Ventoso et al, 2006). Усиление активности miRNAs включает miR-71, miR-238, miR-239 и miR-246 (de Lencastre et al, 2010). В то время как делеция miR-71, miR-238 и miR-246 уменьшает продолжительность жизни, делеция miR-239 оказывает противоположный эффект и увеличивает продолжительность жизни (de Lencastre et al, 2010). Др., индуцируемая возрастом miRNA, а именно miR-34, не влияла на продолжительность жизни C. elegans в одном исследовании (de Lencastre et al, 2010), но её ингибирование увеличивало продолжительность жизни за счет регуляции аутофагии в др. исследовании (Yang et al, 2011). У мух потеря miR-34 запускает уменьшение жизнеспособности (Liu et al, 2012).

Профили экспрессии некоторых miRNA были сгенерированы, чтобы определить изменения во время старения в клетках и тканях млекопитающих. В то время как главные конечные результаты изменений в miRNA у C. elegans включают продолжительность жизни и метаболические модификации в системах млекопитающих основное внимание уделялось специфическим тканям и системным альтерациям. Напр., недавнее исследование старения на модельных мышах подтвердило, что miR-29 воздействует на type IV гены коллагена (Takahashi et al, 2012). Типа IV коллаген важен для поддержания структуры внеклеточного матрикса. Увеличение miR-29 в тканях пожилых мышей, как было установлено, снижает экспрессию типа IV коллагена и ослабляет базальные мембраны в старых тканях.

У человека старение экспрессии miRNA в моноядерных клетках периферической крови у молодых в противовес старым индивидам, выявило подавление различных miRNAs, среди которых две- а именно, miR-24 и miR-221 - были оценены в когорте старых индивидов (Noren Hooten et al, 2010). Др. группы изучали экспрессию miRNA во время индуцируемого в культуре старения и показали. что члены кластера miR-17-92, а именно miR-17, miR-19b, miR-20a и miR-106a подавляются в нескольких типах клеток (Hackl et al, 2010). Кроме того, профили miRNA были получены, чтобы сравнить аорты от молодых и старых мышей (Boon et al, 2011), в старых культивируемых эндотелиальных клетках пупочного кантика человека (Menghini et al, 2009), в выборках префронтальной коры человека и макак во время постнатального развития и старения (Somel et al, 2010), также как и нейродегенеративных заболеваний (see below). Несмотря на это лишь немногие miRNAs пока были непосредственно связаны с возрастными изменениями и функциями органов. Однако, многие оказались непосредственно связаны с болезненными состояниями и пока неясно, участвуют ли изменения в профилях miRNA главным образом в начале патологических изменений или скорее отмечают конечную стадию процесса старения, приводящую к старению и дисфункции органа.

MiRNAs and age-related cardiovascular diseases

Старение является господствующим фактором риска для развития сердечно-сосудистых болезней (North & Sinclair, 2012). В сосудистой системе старение нарушает эффекты защиты от атеросклероза эндотелия, на это указывает снижение биодоступности окиси азота и усиление активации NFkB, ведущие к воспалению эндотелия (Pierce et al, 2009). Кроме того, фенотип гладкомышечных клеток изменяется в направлении про-пролиферативных и про-инвазивных характеристик и состав внеклеточного матрикса существенно модулируется (Wang et al, 2010a). Вместе эти изменения приводят к артериальному моделированию, характеризующемуся утолщением интимы и снижению способности артерий к расширению (Fig 1). Считается, что изменения в клеточных функциях и во внеклеточном матриксе во время старения делают предсердную стенку чувствительной к прогрессии атеросклеротических повреждений.

Figure 1. Regulation of miRNAs during cardiovascular aging. The impact of aging on the vasculature and the heart is summarized. MiRNAs that are regulated during aging of the vasculature or the heart are shown with arrows indicating up- or downregulation during aging in comparison to young tissue. Only validated targets are shown.

В сердце возрастное снижение кардиозащитных систем кроме того вносит вклад в развитие сердечной недостаточности (Strait & Lakatta, 2012). Т.о., 90% гибели от сердечных недостаточностей приходится на индивиды старше 70 (Strait & Lakatta, 2012). Старение ассоциирует с увеличением фиброза и вносит вклад в диастолическую дисфункцию, которая обычно возникает в старости. Кроме того, старение вносит значительный вклад в плохой исход у пациентов с ишемической болезнью, такой как острый инфаркт миокарда. Нарушение способности к неоваскуляризации во время старения и снижение функции защиты сосудов проангиогенных клеток и клеток предшественников, которая помогает репарировать сосудистую сеть и сердце после инфаркта, может вносить вклад в возрастное ухудшение в восстановление после критической ишемии (Dimmeler & Leri, 2008).

MiRNAs in vascular aging

Некоторые исследования были адресованы регуляции miRNAs во время индуцированного в культуре старения сосудистых клеток (Hackl et al, 2010; Menghini et al, 2009; Olivieri et al, 2012) или в сосудах, которые были выделены от старых мышей (Boon et al, 2011). В исследованиях клеточных культур венозные пупочные эндотелиальные клетки непрерывно культивировались (время удвоения популяции: 44) и определялись miRNAs в этих старых эндотелиальных клетках с использованием микромассивов. miR-21, miR-216, miR-217, miR-181b, miR-31b, miR-34a оказывались среди подтвержденных увеличивающихся в количестве miRs (Menghini et al, 2009), ы то время как члены кластера miR-17-92 подавлялись (Hackl et al, 2010). В целых аортах старых мышей ассоциированные с воспалением и гематопоэзом miR-146, miR-142-3p и miR-223 и матрикс регулирующее семейство miR-29 были достоверно увеличены, тогда как др. miRNAs, которые экспрессировались на высоком уровне в старых эндотелиальных клетках, такие как miR-181c/d и miR-31, подавлялись (Boon et al, 2011). Эти различия с профилях культивируемых эндотелиальных клеток и целых сосудов, скорее всего, отражают разный клеточный состав, поскольку в целых сосудах гладкомышечные клетки и проникшие в них восплаительные клетки, а не эндотелиальные клетки являются превалирующим типом клеток. Следовательно, профили miRNA в целой ткани следует интерпретировать с осторожностью, поскольку дифференциальная экспрессия miRNAs в отобранных типах клеток может быть скрыта за общими изменениями в ткани. Некоторые из регулируемых miRNAs между тем были исследованы более детально (Fig 1).

miR-29 in age-associated vascular remodelling

В аортах от молодых в противоположность старым мышам члены семейства miR-29, а именно, miR-29a, miR-29b и miR-29c усиливают свою активность (Boon et al, 2011). Вызванное возрастом увеличение членов семейства miR-29 согласуется с увеличением активности этого семейства miRNA в некоторых тканях Zmpste24^-/- мышей, моделирующих Hutchinson-Gilford прогерию, которая характеризуется ускоренным старением и воспроизводит многие симптомы нормального старения (Ugalde et al, 2011). Кроме того, miR-29a бы среди существенно увеличивающихся miRNAs в культивируемых старых эндотелиальных клетках (Menghini et al, 2009; Olivieri et al, 2012), и miR-29, как было установлено, вносит вклад в старение клеток цервикальных карцином (Martinez et al, 2011). Семейство miR-29, как известно, репрессирует матричные белки в сердце и печени и повышает экспрессию членов семейства miR-29в аорте старых мышей, это ассоциировало со снижением экспрессии матричных белков, таких как коллагены и elastin (Boon et al, 2011). Поскольку редукция внеклеточного матрикса рассматривается как вклад в формирование аневризм, которые типичны для ассоциированных с возрастом сосудистых заболеваний, некоторые группы исследовали, может ли ингибирование miR-29 быть использовано для улучшения структурной целостности сосудистой стенки. В самом деле, ингибирование miR-29 с помощью анти-miRs усиливает экспрессию матричных белков в Angiotensin II-индуцированных аневризмах у старых мышей, а также в генетических моделях формирования аневризм (Boon et al, 2011; Maegdefessel et al, 2012; Merk et al, 2012; Zhang et al, 2012a). Известно, что системное ингибирование miR-29 может вызывать фиброз или опухолевый рост, следовательно, гарантирует стратегию локально доставки для предполагаемой разработки терапии.

Механизм, с помощью которого miR-29 увеличивается во время старения, не совсем ясен. Старение индуцирует прежде всего кластер miR-29b1-29a (который кодирует miR-29b и miR-29c), тогда как экспрессия прежде всего кластера miR-29b2-29c (кодирующего miR-29b и miR-29c) не регулируется в старых сосудах (Boon et al, 2011). Однако зрелые miR-29a, miR-29b и miR-29c были увеличены в аорте старых мышей (Boon et al, 2011) у Zmpste24-нулевых мышей, у мышей моделирующих Hutchinson-Gilford прогерию (Ugalde et al, 2011), указывая тем самым, что вызванное возрастом усиление активности использует транскрипционный и пост=транскрипционный механизмы (Boon & Dimmeler, 2011).

miR-34a in vascular aging

MiR-34a не только увеличивается во время индуцированного культивированием старения эндотелиальных клеток (Ito et al, 2010; Menghini et al, 2009; Olivieri et al, 2012), но и также в др. органах старых мышей (Ito et al, 2010; Li et al, 2011b). Экспрессия miR-34a увеличивается в культивируемых клетках эндотелиальных предшественников и в про-ангиогенных клетках, происходящих из костного мозга, которые были изолированы из старых пациентов с коронарной болезнью или у старых мышей (Tabuchi et al, 2012; Xu et al, 2012) и во время старения C. elegans (de Lencastre et al, 2010) , это подтверждает законсервированную обусловленную возрастом экспрессию этой miRNA. Избыточная экспрессия miR-34a вызывает старение и ингибирует пролиферацию эндотелиальных клеток (Ito et al, 2010) и проангиогенных культивируемых клеток эндотелиальных предшественников (Chang et al, 2007). В самом деле, miR-34a также вызывает гибель клеток происходящих из костного мозга проангиогенных клеток (Xu et al, 2012), тогда как ингибирование miR-34a снижает клеточную гибель проангиогенных клеток, происходящих из костного мозга, in vitro и увеличивает способность клеток улучшать кардиальную функцию после острого инфаркта миокарда (Xu et al, 2012). В эндотелиальных клетках и клетках эндотелиальных предшественников класса III histone deacetylase SIRT1, как было установлено, является превалирующей мишенью для miR-34a (Ito et al, 2010; Tabuchi et al, 2012; Zhao et al, 2010). SIRT1 важен для функционирования эндотелиальных клеток и неоваскуляризации после ишемии (Potente et al, 2007) и как полагают, уменьшает клеточное старение и увеличивает продолжительность жизни (Maxwell et al, 2012). Подавление SIRT1 с помощью miR-34a соответствует вредным эффектам miR-34a на функцию эндотелиальных и клеток предшественников. Кроме того, ингибирование miR-34a повышает экспрессию анти-апоптического белка Bcl-2 и некоторых регуляторов клеточного цикла, таких как Cdk4 и Cyclin D2 в только что выделенных проангиогенных клетках, происходящих из костного мозга (Xu et al, 2012).

Механизм, лежащий в основе усиления экспрессии miR-34a при старении пока не выяснен. Известно, что p53 индуцирует экспрессию транскриптов, кодирующих членов семейства miR-34 и способствует процессингу miR-34a (Chang et al, 2007; He et al, 2007; Tarasov et al, 2007). Но экспрессия miR-34 может быть увеличена независимо от p53 (Christoffersen et al, 2010) и регулируется также с помощью метилирования ДНК CpG островков в промоторе miR-34 (Lodygin et al, 2008). Однако, метилирование ДНК промотора miR-34a в проангиогенных клетках не меняется во время старения (Xu et al, 2012). Принимая во внимание известное участие p53 в ассоциированных с возрастом путях (Sahin & DePinho, 2012), можно предположить, что p53 может обеспечивать вызываемое возрастом усиление активности miR-34a.

miR-146 in endothelial cell senescence

miR-146 представляет собой ассоциированную с воспалением miRNA, которая обнаруживает увеличение в старых фибробластах (Bhaumik et al, 2009). miR-146 существенно увеличивается в эндотелиальных клетках старых культивируемых пупочных венах и разных аортах и усиление экспрессии связано с секреторным фенотипом, ассоциированном обычно со старением (Olivieri et al, 2012). Т.о., увеличение при старении связано со снижением в IRAK, которая контролирует воспалительную реакцию, тогда как ингибирование miR-146 увеличивает экспрессию IRAK (Olivieri et al, 2012). Т.к. недавно было подтверждено, что miR-146 нацелена на IRAK1 в сердце, то это д. приводить к защите против иммунной гиперчувствительности во время ишемических и реперфузионных повреждений (Chassin et al, 2012). Кроме того, др. группами было описано, что miR-146 не регулируется (Hackl et al, 2010) или даже существенно снижается в эндотелиальных клетках старых пупочных вен (Vasa-Nicotera et al, 2011). В последнем исследовании избыточная экспрессия miR-146a в эндотелиальных клетках снижала NADPH оксидазу NOX4, подтверждая тем самым, что пониженная экспрессия miR-146a может увеличивать реактивные виды кислорода во время старения эндотелиальных клеток (Vasa-Nicotera et al, 2011). Причина различающихся находок, демонстрирующих или повышенную или пониженную экспрессию miR-146a во время старения эндотелиальных клеток, неясна, , однако, можно предположить, что активность miR-146 может быть усилена с помощью механизма обратной связи во время продолжительного культивирования, чтобы супрессировать связанный со старением секреторный фенотип. In vivo эксперименты сегодня оправданы, чтобы определить роль регуляции miR-146a во время старения сосудов.

miR-217 in endothelial senescence and atherosclerosis

miR-217 была идентифицирована как наиболее выраженная регулируемая miRNAs в эндотелиальных клетках пупочных вен старых людей (Menghini et al, 2009). Её избыточная экспрессия существенно супрессирует SIRT1, который играет критическую роль в эндотелиальных клетках и также испытывает влияние со стороны индуцируемой возрастом miR-34a. Усиление активности miR-217 ассоциирует с подавлением SIRT1 и дальнейшим увеличением ацетилирования eNOS и снижением экспрессии белка eNOS in vitro (Menghini et al, 2009). Более того, уровни miR-217 оказались скоррелированы обратным образом с экспрессией SIRT1 и eNOS в атеросклеротических бляшках человека (Menghini et al, 2009) , указывая, что эти пути действуют при патофизиологических условиях.

Other senescence-associated vascular miRNAs

Некоторые члены кластера miR-17-92, включая miR-17, miR-20a и miR-106a существенно подавлены в пупочных эндотелиальных клетках старых людей (Hackl et al, 2010), тогда как при др. поиске экспрессия miR-17-5p была повышена (Menghini et al, 2009). Поскольку члены семейства miR-17-92a выполняют разные роли в эндотелиальных клетках, включая способствующую пролиферации активность miR-17/miR-20, но анти-ангиогенную функцию miR-17, miR-20 и miR-92a (Doebele et al, 2010) и , как было установлено, снижают онкогенами индуцированное старение опухолевых клеток (Hong et al, 2010), необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить регуляцию и функцию индивидуальных членов во время сосудистого старения и старения вообще. Кроме того, оксидативный стресс может индуцировать miR-200c (Magenta et al, 2011; Olivieri et al, 2012) , а его избыточная экспрессия вызывает старение эндотелиальных клеток in vitro (Magenta et al, 2011).

MiRNAs in cardiac aging

В противовес сосудистой сети, мало известно относительно регуляции miRNAs во время старения сердца. Хотя определение профилей miRNA в сердцах от старых в противопложность молодым мышам показали выраженную регуляцию различных miRNAs и кластеров miRNA, только усиление активности miR-21 было оценено (Zhang et al, 2012b). miR-21 известна своей про-фибротической активностью (Thum et al, 2008), это хорошо согласуется в контексте старения сердца, но точная функция её во время старения сердца пока не определена.

Второй профиль у функционально хорошо охарактеризованных старых мышей показал, что miR-22 и miR-24 серьёзно индуцируются во время периода жизни (Jazbutyte et al, 2012). Функция miR-22 была далее охарактеризована в деталях и исследования потери и избыточности функции подтвердили, что miR-22 индуцирует старение и способствует миграции кардиальных фибробластов (Jazbutyte et al, 2012). Эти находки согласуются с исследованиями других, показавших, что miR-22 индуцирует старение в опухолевых клетках (Xu et al, 2011). Эффекты miR-22 на кардиальные фибробласты были частично обусловлены воздействием mimecan/osteoglycine (OGN), которые являются секреторными белками, которые как первоначально было установлено контролируют формирование кости, но также экспрессируются в кардиальных фибробластах и гладкомышечных клетках (Jazbutyte et al, 2012). Однако, miR-22 кроме того вызывает гипертрофию и может действовать посредством др. известных мишеней, таких как SIRT1.

Более того, van Almen et al. показали, что члены кластера miR-17-92a, особенно miR-18 и miR-19, были снижены в линиях мышей, которые характеризуются зависимым от возраста кардиальным фиброзом и дисфункцией (van Almen et al, 2011). Авт. далее подтвердили, что ранее идентифицированные мишени для miR-18 и miR-19 , thrombospondin-1 и фактор роста соединительной ткани увеличиваются в сердце старых мышей, склонных к сердечной нещдостаточности, а обратная корреляция miRNAs и мишеней была подтверждена в выборках у человека (van Almen et al, 2011). In vitro исследования далее изучали функцию miR-18 и miR-19 и установили, что обе miRNAs супрессируют экспрессию коллагена в кардиальных миоцитах (van Almen et al, 2011). Хотя механизм, с помощью которого эти miRNAs регулируют конца не выяснен, эти находки могут указывать на связь между подавлением miR-18/miR-19 с вызванным возрастом фиброзом. Наконец, miRNAs, такие как miR-133 также могут модулировать зависимые от возраста болезненные состояния сердца, включая гипертрофию (Care et al, 2007) и это может быть интересным для изучения влияния гипертрофией регулируемых miRNAs в ремоделировании сердца во время старения.

MiRNAs and age-related neurodegenerative diseases

Старение вызывает множественные клеточные и функциональные изменения в головном мозге, которые частично компенсируются с помощью адаптивных нейрозащитных и нейровосстанавливающих процессов. Типичные ассоциированные с возрастом дегенеративные изменеия включают аномальные и нефункциональные аксоны и нейриты, снижение в сети нейротрансмиттеров и присутствие амилоидных бляшек и lipofusin вокруг кровеносных сосудов. Некоторые из этих изменений аналогичны изменениям, вызываемым нейрологическими заболеваниями, за исключением потери нейронов (Morrison & Hof, 1997). Груз нейродегенеративных заболеваний прогрессивно растет, поскольку увеличивается пропорция старых людей. Согласно WHO, к 2040, нейродегенеративные болезни станут второй ведущей причиной гибели после сердечно-сосудистых заболеваний. Превалирование случаев деменции возрастет на 100% в развивающихся странах и до 300% во вновь индустриализованных странах (Ferri et al, 2005). Болезнь Alzheimer's наиболее распространенное нейродегенеративное заболевание. Однако, будет увеличено количество людей со смешанными формами деменции, сосудистой деменции и деменции с тельцами Lewy. Безусловно будет расти количество пациентов с болезнью Паркинсона с развитой деменцией, т.к. болезнь станет более распространенной и более прогрессивной (Perez et al, 2012). Несмотря на то, что возраст станет наиболее влиятельным фактором риска нейродегенеративных болезней, механизмы и молекулярные мишени пока неизвестны. MiRNAs участвуют как в программах старения, так и в болезнях нервной системы. Более того, становится ясно, что miRNAs регулируют физиологические процессы, такие как синаптическая пластичность, обучение и память (Table 1).

Table 1. Regulation of miRNAs during neural aging and neurodegenerative age-associated diseases

Определение профилей в тканевых выборках предоставило первые доказательства регуляции miRNAs в стареющем головном мозге. В выборках, полученных из префронтального кортекса человека, Somel et al. выявили связанное с возрастом усиление активности miR-34, miR-33b, miR-181 и miR-1271 (Somel et al, 2010). В выборках головного мозга макак наблюдались сходные паттерны, включая дополнительно miR-29b (Somel et al, 2010). У мышей ассоциированное с возрастом увеличение miR-30d, miR-34a, miR-468, miR-669b и miR-709 наблюдалось в головном мозге и ткани печени, тогда как miR-22, miR-101a, miR-720, miR-721 были увеличены только в головном мозге, но не в печени старых мышей (Li et al, 2011a). Некоторые из увеличенных miRNAs в головном мозге, как полагают, контролируют митохондриальные функции, это не является неожиданным, принимая во внимание, что нарушение регуляции функции митохондрий является основным фактором в процессах, индуцируемых возрастом (Larsson, 2010). Поддержание митохондриального оксидативного метаболизма и продукции энергии особенно важно для нервных окончаний, где митохондрии являются важными для поддержания оборота белков и экзо- и эндоцитотических процессов в активных синапсах (Li et al, 2004). Долговременные изменения в прочности синапсов также используют быстрый оборот белков. Поэтому трансляционный контроль синапсов очень важен для структурной пластичности. Напр., RISC белок MOV10 быстро деградирует в синапсах зависимым от активности образом. Это в свою очередь заставляет некоторые mRNAs вступать в полисомы и управлять экспрессией белков (Banerjee et al, 2009). Накапливаются доказательства, что miRNAs выполняют существенную роль в модулировании функции и структурной пластичности синапсов (Lee et al, 2012; Lippi et al, 2011). Следовательно, вполне допустимо, что измененная локальная регуляция трансляции может нарушать обучение и память при деменции и др. нейродегенеративных заболеваниях.

Первоначальные доказательства роли miRNAs в нейродегенеративных заболеваниях были получены Schaefer et al (2007), которые показали, что обусловленное устранение специфического для клеток Пуркинье ключевого для генерации миРНК энзима Dicer ведет к клеточной гибели. Отсутствие Dicer ассоциировало с прогрессивной потерей miRNAs, дегенерацией мозжечка и развитием атаксии in vivo. Более недавние находки подтвердили важную роль miRNA в ассоциированной с возрастом нейродегенерации. Устранение Dicer из переднего мозга взрослых вызывает аномальное tau гиперфосфорилирование и нейродегенерацию, как это наблюдается в головном мозге при болезни Алцгеймера. Ввиду этих и др. находок известен ряд исследований по выяснению профилей miRNA в выборках головного мозга, полученных от пациентов с нейродегенеративными болезнями. Напр., miR-9, miR-125b и miR-146 увеличиваются (Sethi & Lukiw, 2009) в неокортексе височных долей и регионах гиппокампа от пациентов с болезнью Алцгеймера. Lukiw et al, также описали достоверное усиление активности miR-9 и miR-128 по сравнению с того же возраста взрослыми здоровыми индивидами (Lukiw, 2007). Наблюдаются нарушения регуляции разных miRNAs у спорадических пациентов с болезнью Алцгеймера относительно ряда miRNA (Hйbert et al, 2008).

miR-29 in Alzheimer's disease

Доказательства, что потеряф кластера miR-29a/b-1 связана со спорадическими случаями болезни Алцгемера предоставлены Hйbert et al (2008). В работе исследовали возможные регуляторы BACE1/γ-secretase. BACE1 или APP м предположительно вносит вклад в Aβ при спорадических случаях болезни Алцгеймера. Процессинг BACE-1 из APP важен для инициации генерации Aβ, это затем поддерживается c помощью γ -secretase. MiRNAs, которые потенциально участвуют в контроле экспрессии BACE1 (miR-29a, 29-b1), были обнаружены как снижающие свою активность в головном мозге пациентов с болезнью Алцгемера, которые также обнаруживали высокие уровни BACE1. Сходным образом авт. идентифицировали miR-20a, miR-17-5p и miR-106b в качестве регуляторов Amyloid precursor protein (APP; Hйbert et al, 2008, 2009).

Последующие исследвания не выявили генетической ассоциации с генетическими вариантами кластеров miR-29 с болезнью Алцгеймера (Bettens et al, 2009). Однако отсутствие генеических вариантов не исключает, что снижение активности кластера miR-29 модулирует экспрессию BACE-1 и процессинг APP. Также кластер miR-29 выполняет и др. важные роли в головном мозге, которые могут иметь отношение к старению и болезням. Напр., уровни экспрессии miR-29 влияют на ремоделирование дендритных шипов путем целенаправленного воздействия на ARP2/3 комплекс зарождения (nucleation) актина. Это особенно важно для структурной пластичности нейронов (Lippi et al, 2011). Интересно, что снижение экспрессии miR-29 в больном головном мозге в противстоит увеличению уровней экспрессии miR-29 в др. тканях во время старения и описанной роли miR-29 в обеспечении клеточного старения (see chapter 3).

miR-34 in neurodegeneration

Уровни семейства miR-34 меняются во время старения модельных организмов, мышей и человека (Liu et al, 2012; Zovoilis et al, 2011). Потеря miR-34 связана с ускорением старения и нейродегенерации у Drosophila. Интересно, что экспрессия и процессинг miR-34 варьирует с возрастом у Drosophila и воздействуют на E74A. Однако E74A вызывает противоположные эффекты на приспособленность животных во время разных периодов жизни (известен как antagonistic pleiotropy) и не экспрессируется у человека. Исследования на модельных млекопитающих подчеркивают разные регуляторные роли для разных членов семейства miR-34. MiR-34c (но не miR-34a и miR-34b) очень многочисленны в регионах гиппокампа и её экспрессия в дальнейшем усиливается с возрастом (24 мес. мыши), у мышей, моделирующих амилоидоз amyloidosis (12 мес. APP/PS1-21 мыши) и у пациентов с болезнью Алцгемера (Zovoilis et al, 2011). Целенаправленное воздействие miR-34 seed у APP/PS1-21 мышей (у которых miR-34c является предоминирующей) устраняет дисфункцию обучения у мышиных моделей (Zovoilis et al, 2011). Одной из главных мишеней для miR-34c, по-видимому, является SIRT1 (Zovoilis et al, 2011). Снижение уровня SIRT1 вызывает нарушения памяти и снижает повышенные уровни miR-34c у мышей с восстановленной функцией памяти у старых мышей (Zovoilis et al, 2011). Принимая во внимание множественный контроль аутофагии и косвенно митохзондриального гомеостаза, это, по-видимому, очень многообещающая мишень для осуществления защиты нервов.

MiR-34a усиливает активность в коре головного мозга и др. мышей, моделирующих болезнь Алцгеймера, включая мышей APPswe/PS?E9 . Ограничение калорийности пищи снижает уровни miR-34a (и уровни miR-30e и miR-181a*) в гиппокампе и коре у старых мышей. Снижение miRs ассоциирует с повышенной экспрессией Bcl-2 у старых мышей после ограничения калорий (Khanna et al, 2011). Важно, что p53 семейства член p73 контролирует экспрессию miR-34a, которая в свою очередь воздействует на мРНК, кодирующие синаптические белки (Agostini et al, 2011). Это важно для развития и пластичности нейронов. Учитывая ограниченные доступные доказательства, можно лишь предполагать, что семействуо miR-34 контролирует несколько онтогенетических и связанных со старением метаблических путей. Очевидно, что мишени для miR-34 множественные и их функции могут варьировать во времени и влиять на процесс старения и болезни.

miR-107 in Alzheimer's disease

Экспрессия miR-107 снижена в головном мозге пациентов с болезнью Алцгеймера (Wang et al, 2008). Беспристрастные исследования далее подтвердили, что уровни miR-107 снижены в неокортексе при болезни Алцгеймера (Nelson & Wang, 2010). Как и в случае с miR-34c, miR-107, по-видимому, регулирует уровни BACE1 (Wang et al, 2008). Однако, miR-107 имеет др. подходящий субстрат, связанный с нейродегенерацией: progranulin (Wang et al, 2010b). При травматических повреждених мозга пониженные уровни miR-107 коррелируют с повышением progranulin. Напротив дефицит progranulin связан с некоторыми формами frontotemporal dementia (FTD), основной связанной с ранним зависимой от возраста нейродегенеративной болезнью. Т.о., при FTD пониженные уровни miR-107 могут быть благоприятны для восстановления уровней progranulin. Известно, что недавние находки показали, что miR-29b также негативно регулирует уровни progranulin (Jiao et al, 2010).

Let-7 in neural stem cells

Семейство Let-7 обнаруживает широко распространенные эффекты на развивающиеся и взрослые модельные организмы клетки млекопитающих. Не являются неожиданностью недавние находки, что биогенез let-7 находится под множественным пост-транскрипционным контролем, включая регуляцию miRNA let-7 биогенеза (т.e. транскрипты иные чем мРНК могут быть мишенями для miRNA включая pri-miRs, такие как pri-let-7; Zisoulis et al, 2012).

Let-7, как было установлено, контролирует функции нервных стволовых клеток (Nishino et al, 2008; Tzatsos & Bardeesy, 2008) и влияет на секрецию цитокинов (Iliopoulos et al, 2009). Let-7 воздеййствует на Hmga2, это позволяет нервным стволовым клеткам самообновляться у молодых, но не у старых мышей, благодаря снижению экспрессии p16Ink4a и p19Arf (Nishino et al, 2008) и stemness гена lin28. Let-7 ,как было установлено, контролирует старение ниш стволовых клеток в семенниках Drosophila и обеспечивает зависимое от возраста снижение IGF-II мРНК связывающего белка Imp, приводя к зависимому от возраста снижению стволовых клеток зародышевой линии (Toledano et al, 2012). Преждевременное старение наблюдалось также в фибробластах после избыточной экспрессии let-7b, которая снижает EZH2 (Tzatsos et al, 2011). Др. ключевым процессом мишенью для let-7 miRNAs является регуляция метаболизма. Подавление Lin28a и Lin28b или избыточная экспрессия let-7 в мышцах вызывает устойчивость к инсулину и нарушает толерантность к глюкозе. Данные, представленные в этом исследовании не только подчеркивают роль Lin28a/b и let-7 как модуляторов метаболизма глюкозы, но и ставят вопрос, как накопление let-7 в стареющих тканях может влиять на системную резистентность к инсулину, которая сопровождает старение. Роль let-7 в болезнях подобных раку была исследована широко. Однако доказательства роли в нейродегенерации всё ещё отсутствуют. У C. elegans, белок амилоидного предшественника apl-1 (гомолог APP человека) контролируется c помощью let-7 (Niwa et al, 2008), который снижает активность во время развития. Роль в клетках млекопитающих интересна относительно само-модуляции активности let-7.

Conclusion and outlook

In conclusion, ample evidence suggests that miRNAs are deregulated during aging and some miRNAs have been implicated in age-associated decline of organ functions. Aging may induce general miRNA patterns that are similar for all organs. In contrast, miR-29 is differentially regulated and augmented in the aging vasculature or the heart, whereas it is suppressed in age-associated neurodegenerative diseases. Such an organ specific regulation is challenging when considering to therapeutically target miRNAs to prevent or ameliorate age-associated disease. For the potential development of therapeutic miRNA targeting strategies, it is furthermore of critical importance to understand whether the deregulated miRNAs during aging are causes or effectors of the age-associated disease or may even act as compensatory feed-back loops. The issue is further complicated by the understanding that miRNA are involved in more complex regulatory pathways in competition with other competitive endogenous RNAs (ceRNA) including pseudogenes and long non-coding RNAs (lncRNAs; Salmena et al, 2011). Given that such interactions may likely depend on the number of molecules of each interacting species, new models taking into account quantitative biology will be required to understand network modulation and finally develop therapeutic interventions. We believe that functional investigation of miRNAs and their interacting partners will open new perspectives for the understanding and the treatment of age-related disease processes.

MicroRNAs in age-related diseasesStefanie Dimmeler, Pierluigi Nicotera EMBO Molecular Medicine Volume 5, Issue 2, pages 180–190, February 2013

MicroRNAs in age-related diseases
Stefanie Dimmeler, Pierluigi Nicotera
EMBO Molecular Medicine Volume 5, Issue 2, pages 180–190, February 2013