Ученые выяснили, что инъекция фактора роста фибробластов 1, или FGF1, в гипоталамус инсулинорезистентных грызунов может быстро и надолго нормализовать уровень глюкозы в крови, а также подробно описали механизм его работы. Для этого ученые провели два исследования воздействия белка на мозг: в первом сравнили уровень экспрессии разных клеток гипоталамуса больных мышей, части из которых ввели FGF1, а во втором рассмотрели, как белок влияет на количество перинейрональных сетей в мозге крыс. Биологи обнаружили, что FGF1 воздействует на глиальные клетки мозга, усиливая сигнальную систему меланокортина: она играет важную роль в поддержании уровня сахара в крови. Статьи (1, 2) опубликованы в журналах Nature Metabolism и Nature Communications.
При диабете второго типа клетки недостаточно насыщаются глюкозой, из-за чего поджелудочная железа постоянно получает сигнал о нехватке гормона, в ответ на который она начинает интенсивно восполнять его запасы. В результате β-клетки, ответственные за секрецию инсулина, со временем истощаются и перестают производить достаточное его количество. Поэтому больным необходимо ежедневно принимать противодиабетические препараты, но, несмотря на их эффективность, они не обеспечивают надлежащего гликемического контроля для большинства пациентов.
В настоящее время лучшие методы лечения диабета второго типа заключаются в контроле уровня сахара в крови, но недавние исследования
, что мозг может стать альтернативной мишенью для терапии. Например, всего одной инъекции
1 (FGF1) в мозг мышей, страдающих диабетом второго типа, достаточно, чтобы восстановить нормальный уровень глюкозы в крови на несколько недель или даже месяцев. Но как именно FGF1 воздействует на мозг, было до недавнего времени было неизвестно.
Разобраться в этом вопросе решила команда ученых во главе с Майклом В. Шварцем (Michael W. Schwartz) из Вашингтонского университета в Сиэтле. Исследователи провели два эксперимента: в первом они изучили, как инъекция FGF1 влияет на экспрессию генов в различных типах клеток мозга, а во втором рассмотрели, какие структуры гипоталамуса помогают поддерживать ремиссию диабета. Именно гипоталамус — область мозга, отвечающая за регуляцию чувства голода, потребления энергии и, что важно, концентрацию сахара в крови — служил главным объектом изучения в обоих исследованиях.
Чтобы узнать, как клетки гипоталамуса реагируют на FGF1, команда хирургическим путем ввела белок в мозг мышей с диабетом второго типа, а затем наблюдала изменения в экспрессии генов разных клеток, сравнивая экспериментальную и контрольную группы мышей. Ученые проверяли утренний уровень глюкозы в крови у животных в течение пяти дней и показали, что у инъецированных FGF1 особей к пятому дню действительно нормализовался уровень сахара.
На 1, 5 и 42 день после инъекции исследователи проводили эвтаназию и собирали клетки гипоталамуса. Чтобы оценить чувствительность различных клеток к инъекции FGF1, они проводили РНК-секвенирование трех типов: матричное РНК-секвенирование, моноядерное РНК-секвенирование и РНК-секвенирование единичных клеток. Результаты корректировали с учетом различий в потреблении пищи контрольных и экспериментальных животных: ученые сравнивали между собой тех мышей, которые получали одинаковое количество еды.
При анализе данных секвенирования, полученных в первый и пятый день, биологи заметили, что, глиальные клетки мозга мышей реагировали на FGF1 гораздо сильнее, чем нейроны. При этом танициты и эпендимальные клетки были наиболее чувствительны к FGF1 в первый день, тогда как астроциты и олигодендроциты стали более чувствительными на пятый.
Чтобы оценить влияние фактора роста фибробластов 1 на популяции нейронов через день после его инъекции, исследователи оценили количество генов, значительно различающихся по экспрессии у контрольной и экспериментальной групп. Оказалось, что нейроны, которые экспрессируют агути-подобный белок, или Agrp, наиболее подвержены влиянию FGF1 и что под его воздействием увеличивается количество межклеточных взаимодействий между ними и астроцитами. Одна из функций этих нейронов – эндогенное ингибирование передачи сигналов меланокортина – процесс, как было показано ранее, связанный с патогенезом диабета у грызунов и людей.
Сигнальная система меланокортина контролирует питание, массу тела и уровень сахара в крови грызунов и людей. Ученые обнаружили, что воздействие FGF1 на глиальные клетки обеспечивает беспрепятственную передачу сигналов в этой системе, что способствует противодиабетическому эффекту.
Чтобы узнать, какие структуры гипоталамуса связаны с корректной работой меланокортиновой системы, ученые исследовали перинейрональные сети, которые окружают нейроны и поддерживают их связи. Они представляют собой отдельный подтип внеклеточного матрикса и проникают во множество типов нейронов, включая нейроны, экспрессирующие агути-подобный белок.
Чтобы определить, различается ли количество и состав гипоталамических перинейрональных сетей у крыс с диабетом и контрольных животных с нормогликемией, ученые окрасили перинейрональные сети и сравнили его флуоресценцию в разных участках мозга подопытных грызунов. Команда обнаружила, что у крыс с диабетом в гипоталамусе меньше (p = 0,00036) перинейрональных сетей, чем у здоровых животных, причем этот эффект наблюдался только в областях, связанных с гомеостазом глюкозы.
Инъекция FGF1 в мозг подопытных крыс быстро восполнила дефицит перинейрональных сетей, и в гипоталамусе обработанных крыс возникли новые сети. Чтобы оценить влияние перинейрональных сетей на активность белка, исследователи удалили сети из мозга животных и обнаружили, что FGF1 сложнее справиться с диабетом.
Получается, что инъекция фактора роста фибробластов 1 в мозг грызунов воздействует на области гипоталамуса, задействованные в регуляции гомеостаза глюкозы и помогает восстановить ее уровень в крови у животных. Ученые выяснили, что белок воздействует на сигнальную систему меланокортина двумя способами. Во-первых он увеличивает степень покрытия мозга перинейрональными сетями, способствуя усилению активности нейронов, контролирующих активность меланокортиновой системы. А во-вторых предотвращает ингибирование этой системы Agrp нейронами с помощью регуляции экспрессии генов глиальных клеток мозга.
Чтобы окончательно понять механизм воздействия FGF1 на мозг, предстоит провести еще много исследований. Однако, такая терапия может в перспективе позволить достичь стойкой ремиссии диабета, а не просто ежедневного снижения уровня сахара в крови, как это делают современные методы лечения.
Поиск стратегий лечения сахарного диабета уже давно является одной из первостепенных задач здравоохранения. Недавно мы рассказывали о применении для этой цели стволовых клеток, а также обсуждали как можно бороться с почечной недостаточностью — частым осложнением пациентов, страдающих сахарным диабетом второго типа.
Василиса Ралдугина
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.