This Monday we for the first time arranged at Skoltech the real British-Parlament-Style Scientific Debates between teams of students (two Governments vs two Oppositions). The topic of debates was: "Whether The Extracellular Matrix damage is the main root cause of aging?". The Government side tried to convince juries that it it true whilst the opposition team objected this defending the position that matrix is rather the "passenger" than the "driver". Teams proposed their arguments in a form of written documents and then defended their positions in a form of public speaks.

Here I attach the documents with teams' reasoning:

I want to thank the juries: Alexey Alekseev, Ilia Pletenev, Margarita Sidorova, and Evgeniy Efimov for their participate as juries and for the convergence to the final verdict which I consider to be fair - the opposition-2 team has won.

Post::
by Dmitrii Kriukov

В таинственной, по своему наполнению, библиотеке Сколтеха мой коллега нашел золото в виде бумажной версии книжки 1982 года за авторством М. Канунго «Биохимия старения» (на русском). Разумеется советская книга с таким названием предопределила для меня часть предмайского-майского настроения. Ниже я попробую очень вкратце описать свое путешествие в геронтологию 40-летней давности и открытия, которые меня там поджидали (электронная версия книги также прилагается к посту, спасибо Алексею Алексееву!).

Суть.
Книга представляет собой монографию известного, в свое время, и своими биохимическими опытами геронтолога (Kanungo, Madhu Sudan), решившего до некоторой степени подытожить существенную часть накопленных результатов своего времени с тем, чтобы, с одной стороны, покритиковать существующие на тот момент теории старения, а с другой стороны предложить свою теорию старения. Акцент в книге делается на биохимических открытиях, чувствуется некоторая недосказанность в отдаленных от биохимии областях.

Напишу подробнее, какие главы на мой (скромный и субъективный) взгляд точно стоит читать сейчас.

Предисловие, Гл. 1. Введение - воистину шокирующая вступительная часть книги. Но шокировать она может скорее тех, кто читал современную популярную (да и научную) литературу по геронтологии, поскольку внезапно оказывается, что все вступительные слова, мотивация, и основания геронтологии, предложенные автором совершенно актуальны и сейчас (см. первую картинку про кривые дожития). Складывается стойкое ощущение, что наука за 40+ лет никуда не сдвинулась, а вернее, как было сказано другим автором, современником Канунго: «прорывы в современной геронтологии не настолько значимы, чтобы неспециалист мог заявить о них как о прорывах»… Очень рекомендую к прочтению!

Гл. 2. Хроматин: структура и функции - К сожалению, сильно устарела. Наука о хроматине сегодня сильно приобрела за счет секвенирования и чувствуются как авторы «гадают» о «негистоновых хроматиновых белках», которые сегодня поддаются практически точной дешифровке с помощью методов типа ChiP. Лучше почитать Разина, либо обращатся к данной главе только научно-исторических целях.

Гл. 3. Изменение ферментов в процессе старения, Гл. 4. Изменения коллагена, Гл. 5. Изменения в гормональной системе - биохимия старения для меня всегда была несколько загадочной, поскольку в мейнстримных статьях по геронтологии (или, по крайней мере, меинстримных в рамках моего информационного пузыря), эта тема всегда отходила на второй план на фоне бесконечных "загадок эпигенетики", гаданиях на кривых дожития, попытках диетами увеличить lifespan на 0.3% (P-value < 1e-16). Поэтому от этих глав я испытал приятный привкус, хотя и несколько трудоемкого, но все же чтения для «непосвященных». Глава о коллагене так вообще поразила меня своей подробностью. Главы 3 и 5 пестрят очень подробными таблицами на 10+ страниц в которых аккумулируются сведения об изменениях ферментов и гормонах в разных! животных (и не только в млеках) в процессе старения.

Гл. 6. Образование поперечных сшивок, свободные радикалы и старческий пигмент - отдельно пишу про эту главу поскольку, хотя она мне и понравилась, я не понял куда делось гликирование, карбамилирование и другие -ирования. Поперечными сшивками тут, внезапно, называют ферментативные сшивки, возникающие в процессе естественного синтеза коллагена. Возможно это проблема перевода. Еще эта глава очень полезна, чтобы очень быстро «вкатиться» в тему липофусцина и посмотреть на титанические усилия того времени по противостоянию его накоплению (см. вторую картинку про липофусцин).

Гл. 7. Изменения иммунной системы - К сожалению, безнадежно устарела. Можно читать только первые параграфы с базовыми сведениями.

Гл. 8. Старение клетки - очень забавная глава, показывающая как много правильных выводов можно сделать о дифференцировке и способности клеток к делению, не зная о существовании теломер (их откроют позднее в 90-х) и искусственной индукции плюрипотентности. Поражает и то, что 40 лет назад было известно, что «жизнеспособность и пролиферативный потенциал клеток [мыши] сохраняются в течение 7–8 лет, что значительно превышает продолжительность жизни мыши (2 года)». Иначе говоря, клетка вполне может пережить хозяина - казалось бы вот он «царский путь» к лекарству для продления жизни...

Гл. 9. Теории старения - учитывая сказанное в предыдущих главах, автор быстро постулирует, что первопричина старения должна лежать в изменениях связанных с геномом и фокусируется именно на таких теориях старения, считая прочие изменения "вторичными". Он довольно обстоятельно критикует теорию соматических мутаций, теорию накопления ошибок и теорию ограничения кодона, а затем предлагает свою собственную теорию, которую вкратце можно сформулировать так. Есть гены, они регулируют друг друга, одни включаются в процессе раннего развития и включают (или выключают) другие, ответственные за репродуктивный период, и так далее. По мере жизни некоторые из генов не могут оставаться включенными ввиду потери «определенных факторов» что в конечном счете приводит к «дисбалансу» организма, и увеличению его восприимчивости к смерти (старению). Получилось... феноменологичненько, спорить с этим трудно, но дает это нам мало чего (как и все феноменологичные теории). Указания на конкретные гены и конкретные факторы автор не приводит (но видимо намекает на них посредством предыдущих глав). Интересно, что теория эта получается применимой к любому виду, хоть дереву, хоть дрожжам, хоть человеку. Во всем виноват дисбаланс, который вид не может сдержать.

Мое мнение.
Роскошный экскурс в геронтологию и биохимию старения конца прошлого века. Автор сдержан и не делает смелых утверждений. Его выводы и внимательность к деталям могут послужить уроком многим современным paper maker-ам. Его теория старения меня абсолютно не устраивает, поскольку я резкий противник феноменологии в биологии. Мы не в том веке, чтобы «гадать», у нас есть точные методы измерения, у нас написана вся теория на масштабах (временных и пространственных) сущностей меньших биологических (химия, квантовая механика) и больших биологических (классическая механика) - мы должны честно разбираться в молекулах и путях и говорить что на кого повиляло. Тем не менее для 40-лет-назад эта теория выглядит очень бодро и могла дать (и дала) хороший фреймворк для будущих более механистичных теорий старения. Чувствую, что нейроэндокринные и системно-метаболические теории старения, появившиеся чуть позднее в девяностых, вдохновлялись идеей «дисбаланса» и пытались дать ему точную формулировку. Что же с этим стало сейчас? Надеюсь, в скором времени это выяснить.

Пресловутая первая картинка, которую все миллион раз видели.

Вторая картинка, которую видели наверное не все.

А вот и сама книжка в электронной версии.

Post::
by Dmitrii Kriukov

Тернистый путь к теории старения.

Много было сломано копий в попытке написать единую теорию старения, в результате чего наплодилось их свыше нескольких сотен. Такое их разнообразие, по видимому, оказалось возможно, потому что разные авторы используют различные критерии того что они бы назвали «хорошей» теорией. Под «хорошей», в рамках этого текста, будем понимать такую теорию, которая бы могла объяснить некоторый набор, важных для этой науки, экспериментальных (или натуралистических) наблюдений. Следовательно, то, какие эксперименты решает объяснить ученый в рамках своей теории, а какие считает несущественными, решает он сам. Это не означает, что консенсусу не бывать. Если на секунду предположить, что старение является универсальным феноменом единообразно действующим на 100% людей или даже 100% млекопитающих (а при более широком рассмотрении и на 100% хордовых), то легко предложить критерий «хорошести» теории:

Способность объяснять различия в продолжительности жизни различных видов.

Из современной литературы мы, в общем, действительно можем видеть, что этот критерий является до некоторого рода консенсусом среди ученых. Есть статьи по сравнительной биологии старения различных животных. Успехи в некоторых интервенциях против старения: ограничение калорий, рапамицин и т.д. до некоторой степени транслируемы между различными видами. Я думаю найдется мало ученых готовых всерьез утверждать, что старение мыши не имеет ничего общего со старением человека - такое предположение было бы весьма маргинальным и потребовало бы сверхусилий по его обоснованию. Поэтому договоримся, хотя бы в рамках этого поста, считать этот критерий справедливым. Но тогда мы немедленно приходим к следующему довольно хорошо (даже математически строго) поставленному вопросу: какие биологические признаки (или биомаркеры), обнаруживаемые в разных видах, могли бы объяснить их различия в продолжительности жизни?

Короткий жест над поисковой строкой немедля принес в мои руки следующую публикацию «A genomic predictor of lifespan in vertebrates» []. Сейчас поведаю ее суть.

Наши австралийские коллеги сделали крайне простую вещь:
- Выгрузили данные о максимальной продолжительности жизни (МПЖ) различных видов из AnAge.
- Скачали собранные геномы 252 различных хордовых из NCBI.
- Выравняли эти геномы на человеческие промоторы генов из Eukaryotic Promoter Database (EPD) с помощью BLAST.
- На 42 хорошо выравнявшихся промоторах посчитали плотность CpG динуклеотидов (в окне -500..100 вокруг TSS).
- Обучили линейную регрессию на CpG-плотности промоторов предсказывать МПЖ.
- Получили R2 = 0.76 на тестовой выборке (см. первую картинку).
…

Чего? А так можно было? 76% дисперсии кросс-видовой МПЖ объясняется… плотностью CpG в консервативных промоторах???
Вот это да!

Лично у меня отвисла челюсть. У нас тут десятилетиями разгорается дискуссия о том что такое старение, а коллеги берут и делают работу, которую за 4 месяца с нуля способен сделать первокурсник магистратуры ФББ МГУ или Сколтеха и объясняют 76% дисперсии МПЖ. Гениально!

Здесь хотел бы донести некоторую глубину того что на самом деле произошло. Некоторое время назад было высказано коллективное мнение, что нам необходима феноменологическая теория старения. Ну так вот она: линейная регрессия на 42 промоторах объясняющая 76% МПЖ - чем вам не феноменологическая теория? А может какая-то другая теория сделать также? Но кроме того, если удалить из датасета все виды кроме млекопитающих, то этот процент вырастает до 91%.

Разумеется с моей стороны было бы преступным не пойти и не посмотреть, а что это там за гены такие, промоторы которых оказываются столь важными для предсказания МПЖ? (Специально для вас препроцессировал табличку с этими генами и корреляцией Пирсона между плотностью CpG в промоторах и МПЖ.) Сходу ничего не понятно. Попытка вставить в GO enrichment или StringDb тоже не приводит к каким-то значимым обогащениям. Небольшой раунд общения с o3 показал, что некоторые из генов отвечают за репарацию ДНК, некоторые за аутофагию, некоторые за подавление раков - единой картины нет. Что ж, тогда надо гуглить дальше, а кто цитирует эту статью? Оказалось, что попытка объяснить явление механистически уже была дана в другой статье 2020 года: Is CpG Density the Link between Epigenetic Aging and Lifespan? - которая является коротенькой но довольно внятной.
Сейчас поведаю ее суть.

Наши американские коллеги, некоторое время вдохновлявшись сиртуинами, поликомбами и (пресловутыми) эпигенетическими часами, поведали следующее:
- Все эти гены с богатыми на CpG промоторами на самом деле являются так называемыми «генами развития», очень важными для жизни клетки.
- Вокруг CpG богатых регионов часто тусят дислоцируются комплексы ремоделирования хроматина. Они включают в себя белки поликомба и сиртуины (и еще кучу всего).
- Если в ДНК клетки происходит двухцепочечный разрыв, то вся эта компания рекрутируется в место разрыва, оставляя CpG регионы открытыми для метилтрансфераз (и деметилаз). После устранения разрыва, компания возвращается.
- Однако, метилтрансферазы имеют ограниченную "мощность" и успевают поменять метилирование лишь на небольшом количестве CpG сайтов, не успевая поменять их все до возвращения поликомба и его друзей.
- Поэтому чем больше у гена CpG сайтов в промоторе, тем сложнее ему навалить шума изменить экспрессию, посредством изменения эпигенетического контекста в промоторе (см. вторую картинку).
- В итоге оказывается, что чем больше у данного вида CpG сайтов в промоторах генов важных для развития, тем более устойчив этот вид к, так называемому, «эпигенетическому шуму» (хотя этот термин мне не нравится).

Итог.
Небольшое расследование выше приводит нас к довольно интересному и даже, осторожно замечу, оптимистичному выводу. У нас прямо под носом уже 5 лет лежит весьма неплохая феноменологическая теория старения, объясняющая 76% межвидового МПЖ. Эта теория уже даже и не особо феноменологическая, поскольку имеет неплохую механистическую интерпретацию через гены развития и ремоделеры хроматина. Никакие мои попытки нагуглить набор биомаркеров, способный столь же хорошо объяснять МПЖ в разных видах не привели к успеху. (Была только статья Хорвата про связь среднего метилирования CpG и МПЖ, но это в ту же степь и я еще не до конца разобрался с ней.) Конечно, нужно помнить, что есть и другие критерии, которым должна удовлетворять «хорошая» теория старения. Полный перечень этих критериев потребует еще десятки часов холиваров в чатах или воркшопов на научных конференциях. Но пока фиксируем то что есть. Межвидовой МПЖ лучше всего объясняется эпигенетикой. Других столь же успешных теорий в свете объявленного выше критерия нет.

Критика.
Куда без нее… В целом этот результат не противоречит накопленной интуиции, хотя авторы первой статьи не выложили исходные данные для воспроизведения результата. Письмо авторам уже направленно. Немного напрягает, что статья попала в Scientific Reports, хотя явно достойна Nat. Com. - впрочем, не мне судить. Жаль, что мы не видим комментариев рецензентов. В пользу результатов статьи говорит и результат вскользь упомянутой уже статьи Хорвата, которая в некотором смысле воспроизводит исходный. Биологическая трактовка данная во второй статье тоже не без вопросов. Сказано про увеличение плотности CpG в генах развития, но среди упомянутых 42 генов есть не только гены развития (см. табличку), но и многие другие с не очень понятной функцией, у трети из них плотность CpG наоборот падает с увеличением МПЖ - это явно нужно до-объяснить. Также нужно до-объяснить как именно метилтрансферазы и деметилазы буйствуют в отсутствие поликомба и его друзей - механизм не раскрыт. 76% дисперсии это очень хорошо, но не идеально. Жаль авторы не завели в качестве признака массу или скорость метаболизма животных, хорошо известно коррелирующих с МПЖ.

Первая картинка

Вторая картинка

Табличка для искушенных темой