Длительное пребывание в космосе вызывает атрофию мышц и снижение прочности костей. Исследователи долго искали причины этих процессов на клеточном уровне. Оказалось, что отсутствие силы тяжести нарушает работу митохондрий — энергетических станций клеток.

Исследования в области космической биологии имеют значение для медицины на Земле. Открытие механизма увядания клеток в невесомости открывает возможности для борьбы с саркопенией — возрастной атрофией скелетной мускулатуры, которая приводит к потере силы у пожилых людей. Понимание того, как механическое сцепление клеток управляет митохондриями, может помочь в создании препаратов, замедляющих старение и поддерживающих здоровье лежачих больных.

На Международной космической станции митохондрии в клетках человека и червей производят значительно меньше белков. Ранее наука уже имела данные о том, что космические полеты повреждают митохондрии и влияют на транскрипцию ДНК в матричную РНК (мРНК).

В новом исследовании японская команда из института RIKEN под руководством молекулярного биолога Синтаро Ивасаки, опубликованном в журнале Nature Communications, сосредоточилась на процессе трансляции — этапе, когда рибосомы синтезируют белки по мРНК.

Эксперименты, проведенные космонавтами на орбите с культурами человеческих клеток, показали заметное снижение синтеза митохондриальных белков уже через сутки в невесомости. Контрольные образцы, вращавшиеся в центрифуге с имитацией земного притяжения, не продемонстрировали таких изменений.

Аналогичные результаты были получены при исследовании личинок червей Caenorhabditis elegans, находившихся в невесомости четыре дня. Последующие эксперименты на Земле с использованием клиностата — прибора, имитирующего ослабленное притяжение путем вращения клеток, подтвердили эту закономерность. Через 24 часа работы прибора в клетках человека снизилось производство 13 белков митохондрий, а продолжение эксперимента до трех суток еще сильнее усугубило этот процесс.

Космический биолог Томас Коридон из Орхусского университета в Дании отметил, что хорошо известно, что микрогравитация снижает или изменяет экспрессию генов. Но данный анализ впервые наглядно демонстрирует, как именно отсутствие тяжести влияет на клетки непосредственно на белковом уровне.

Чтобы разобраться в причинах происходящего, исследователи обратили внимание на клеточную адгезию — способность клеток связываться друг с другом в тканях с помощью поверхностных белков. Выяснилось, что именно нарушение механической силы клеточного сцепления в невесомости запускает негативные изменения в митохондриях.

Когда авторы работы обработали клетки специальными белками, поддерживающими адгезию, перед помещением в клиностат, синтез белка в митохондриях восстановился до нормы. Напротив, вещества, мешающие сцеплению клеток, полностью блокировали митохондриальную трансляцию и снижали потребление кислорода.

Теперь команда Синтаро Ивасаки планирует продолжить работу по поиску химических соединений и лекарств, способных активировать трансляцию в митохондриях. Это поможет не только разработать эффективные средства защиты здоровья космонавтов при полетах в дальний космос, но и найти новые подходы к лечению возрастных заболеваний на Земле.

Тольятти 24