Генетические механизмы влияния света и фототрансдукции на продолжительность жизни Drosophila melanogaster

Свет видимого спектра (с длинами волн 380-780 нм) - один из фундаментальных абиотических факторов, к которым организмы вынуждены были адаптироваться с момента их возникновения на земле. Многочисленные литературные источники устанавливают связь между длительностью экспозиции при дневном свете, канцерогенезом и продолжительностью жизни, убедительно показывая значительное снижение заболеваемости раком у слепых людей, а также в экспериментах по индуцируемому канцерогенезу и подсчету продолжительности жизни на слепых от рождения и механически ослепленных животных. С другой стороны, отмечен стимулирующий характер воздействия непрерывного освещения на репродуктивную функцию, в частности известны эффекты увеличения плодовитости самок различных видов. Повышение двигательной активности и, как следствие, скорости метаболизма и термогенеза при перманентном освещении также сокращает энергетические резервы организма и продолжительность жизни. Критичны для стареющего организма не только время экспозиции, но также и возраст начала воздействия постоянным освещением, обратные эффекты обнаруживаются при содержании подопытных животных в темноте. За длительный период эволюции систем трансдукции светового сигнала появилось множество механизмов, позволяющих сформировать адекватный ответ организма на освещение, активируя высококонсервативные сигнальные каскады (FOXO, SIRT1, NF-kB, mTOR/S6k, PPARa и др.), ассоциируемые, в том числе, со старением и продолжительностью жизни. В настоящем обзоре исследована связь продолжительности жизни, фоторежима, а также экспрессии генов элементов фототрансдукционного каскада и циркадных часов животных. Рассмотрены в контексте старения классические трансдукторы световых и иных сигналов, такие как семейство рецепторов TRP (transient receptor potential), G-белки, фосфолипаза С и др. Выдвинуты гипотезы о существовании связей между механизмами терморецепции, температурной синхронизации циркадного осциллятора (системы транскрипционно-трансляционных петель обратной связи, автономно поддерживающей колебания экспрессии генов и физиологических показателей) и продолжительностью жизни дрозофилы. На основе анализа опубликованных данных сформулирована гипотеза о возраст-зависимой фоторезистентности Drosophila melanogaster. Введено понятие возрастной фоторезистентности, под которой предлагается понимать утрату способности адаптироваться к фоторежиму, связанную с возрастным снижением экспрессии гена cry, кодирующего рецептор синего света.

1. Анисимов В.Н. Эпифиз, биоритмы и старение организма. Усп. физиол. наук. 2008;39(4):40-65.

2. Анисимов В.Н., Виноградова И.А., Борисенков М.Ф., Букалев А.В., Забежинский М.А., Панченко А.В., Попович И.Г., Семенченко А.В., Тындык М.Л. Световой режим, старение и рак. Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Медицина. 2012;(7):29-30.

3. Анисимов В.Н., Виноградова И.А., Букалев А.В., Борисенков М.Ф., Попович И.Г., Забежинский М.А., Панченко А.В., Тындык М.Л., Юрова М.Н. Световой десинхроноз и риск злокачественных новообразований у человека: состояние проблемы. Вопр. онкологии. 2013;59(3):302-313.

4. Виноградова И.А., Анисимов В.Н. Световой режим Севера и возрастная патология. Петрозаводск, 2012.

5. Добровольская Е.В., Соловьёв И.А., Прошкина Е.Н., Москалев А.А. Влияние сверхактивации генов циркадных ритмов в различных тканях на стрессоустойчивость и продолжительность жизни Drosophila melanogaster. Теоретическая и прикладная экология. 2016;3:32-40.

6. Лотош Т.А., Виноградова И.А., Букалев А.В., Анисимов В.Н. Модифицирующее влияние постоянного освещения на организм крыс в зависимости от сроков начала воздействия. Фундаментальные исследования. 2013;(5-2):308-313.

7. Москалев А.А., Малышева О.А. Роль светового режима в регуляции продолжительности жизни Drosophila melanogaster. Экология. 2009;40(3):221-226.

8. Москалев А.А., Малышева О.А. Роль генов транскрипционного фактора dFOXO, dSIR2 и HSP70 в изменении продолжительности жизни Drosophila melanogaster при различных режимах освещения. Экол. генетика. 2010;8(3):67-80.

9. Москалев А.А., Шосталь О.А., Зайнуллин В.Г. Генетические аспекты влияния различных режимов освещения на продолжительность жизни дрозофилы. Усп. геронтологии. 2006;18:55-58.

10. Соловьёв И.А., Добровольская Е.В., Москалев А.А. Генетический контроль циркадных ритмов и старение. Генетика. 2016; 52(4):393-412. DOI 107868/s001667581604010x.

11. Anisimov V.N., Vinogradova I.A., Panchenko A.V., Popovich I.G., Za-bezhinski M.A. Light-at-night-induced circadian disruption, cancer and aging. Curr. Aging Sci. 2012;5(3):170-177.

12. Bee L., Marini S., Pontarin G., Ferraro P., Costa R., Albrecht U., Ce-lotti L. Nucleotide excision repair efficiency in quiescent human fibroblasts is modulated by circadian clock. Nucleic Acids Res. 2015; 43(4):2126-2137. DOI 10.1093/nar/gkv081.

13. Biello S., Bonsall R., Atkinson D., Molyneux L., Harrington P.E., Lall G.M. Alterations in glutamatergic signaling contribute to the decline of circadian photoentrainment in aged mice. Neurobiol. Aging. 2018;66:75-84. DOI 10.1016/j.neurobiolaging.2018.02.013.

14. Bjorn L.O. Photobiology: the Science of Light and Life. New York, 2015.

15. Chang J.S., Noh D.Y., Park I.A., Kim M.J., Song H., Ryu S.H., Suh P.G. Overexpression of phospholipase C-y1 in rat 3Y1 fibroblast cells leads to malignant transformation. Cancer Res. 1997;57(24):5465-5468.

16. Chaudhari A., Gupta R., Makwana K., Kondratov R. Circadian clocks, diets and aging. Nutr. Healthy Aging. 2017;4(2):101-112. DOI 10.3233/NHA-160006.

17. Daneault V., Hebert M., Albouy G., Doyon J., Dumont M., Carrier J., Vandewalle G. Aging reduces the stimulating effect of blue light on cognitive brain functions. Sleep. 2014;37(1):85-96. DOI 10.5665/sleep.3314.

18. Dibner C., Schibler U. Circadian timing of metabolism in animal models and humans. J. Intern. Med. 2015;277(5):513-527. DOI 10.1111/joim.12347.

19. Feillet C., van der Horst G.T., Levi F., Rand D.A., Delaunay F. Coupling between the circadian clock and cell cycle oscillators: implication for healthy cells and malignant growth. Front. Neurol. 2015;6:96. DOI 10.3389/fneur.2015.00096.

20. Fogle K.J., Baik L.S., Houl J.H., Tran T.T., Roberts L., Dahm N.A., Cao Y., Zhou M., Holmes T.C. CRYPTOCHROME-mediated phototransduction by modulation of the potassium ion channel P-subunit redox sensor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015;112(7):2245-2250. DOI 10.1073/pnas.1416586112.

21. Fortini M.E., Bonini N.M. Modeling human neurodegenerative diseases in Drosophila: on a wing and a prayer. Trends Genet. 2000; 16(4):161-167. DOI 10.1016/S0168-9525(99)01939-3.

22. Fuhr L., Abreu M., Pett P., Relogio A. Circadian systems biology: when time matters. Comput. Struct. Biotechnol. J. 2015;13:417-426. DOI 10.1016/j.csbj.2015.07.001.

23. Giebultowicz J.M. The circadian system and aging of Drosophila. Circadian Rhythms and Their Impact on Aging. Cham, Switzerland. 2017;129-145. DOI 10.1007/978-3-319-64543-8_6.

24. Hall H., Medina P., Cooper D.A., Escobedo S.E., Rounds J., Brennan K.J., Vincent C., Miura P., Doerge R., Weake V.M. Transcrip-tome profiling of aging Drosophila photoreceptors reveals gene expression trends that correlate with visual senescence. BMC Genomics. 2017;18(1):894. DOI 10.1186/s12864-017-4304-3.

25. Hardeland R. Melatonin as a geroprotector: healthy aging vs. extension of lifespan. Ed. A.M. Vaiserman. Anti-aging Drugs: From Basic Research to Clinical Practice. Cambridge: Royal Society of Chemistry. UK, 2017;474-495. DOI 10.1039/9781782626602-00474.

26. Hardie R.C., Juusola M. Phototransduction in Drosophila. Curr. Opin. Neurobiol. 2015;34:37-45. DOI 10.1016/j.conb.2015.01.008.

27. Hendricks J.C., Lu S., Kume K., Yin J.C., Yang Z., Sehgal A. Gender dimorphism in the role of cycle (BMAL1) in rest, rest regulation, and longevity in Drosophila melanogaster. J. Biol. Rhythms. 2003; 18(1):12-25. DOI 10.1177/0748730402239673.

28. Hori M., Shibuya K., Sato M., Saito Y. Lethal effects of short-wavelength visible light on insects. Sci. Rep. 2014;4:7383. DOI 10.1038/srep07383.

29. Ito C., Tomioka K. Heterogeneity of the peripheral circadian systems in Drosophila melanogaster: a review. Front. Physiol. 2016;7:8. DOI 10.3389/fphys.2016.00008.

30. Kamdar B.B., Tergas A.I., Mateen F.J., Bhayani N.H., Oh J. Night-shift work and risk of breast cancer: a systematic review and meta-analysis. Breast Cancer Res. Treat. 2013;138(1):291-301. DOI 10.1007/s10549-013-2433-1.

31. Katewa S.D., Akagi K., Bose N., Rakshit K., Camarella T., Zheng X., Hall D., Davis S., Nelson C.S., Brem R.B., Ramanathan A., Sehgal A., Giebultowicz J.M., Kapahi P. Peripheral circadian clocks mediate dietary restriction-dependent changes in lifespan and fat metabolism in Drosophila. Cell Metab. 2016;23(1):143-154. DOI 10.1016/j.cmet.2015.10.014.

32. Kim M., Subramanian M., Cho Y.H., Kim G.H., Lee E., Park J.J. Shortterm exposure to dim light at night disrupts rhythmic behaviors and causes neurodegeneration in fly models of tauopathy and Alzheimer’s disease. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2018;495(2):1722-1729. DOI 10.1016/j.bbrc.2017.12.021.

33. Kirkwood T.B. Evolution of ageing. Nature. 1977;270(5635):301-304. DOI 10.1038/270301a0.

34. Klarsfeld A., Rouyer F. Effects of circadian mutations and LD periodicity on the life span of Drosophila melanogaster. J. Biol. Rhythms. 1998;13(6):471-478. DOI 10.1177/074873098129000309.

35. Kloog I., Haim A., Portnov B.A. Using kernel density function as an urban analysis tool: Investigating the association between nightlight exposure and the incidence of breast cancer in Haifa, Israel. Com-put. Environ. Urban Syst. 2009;33(1):55-63. DOI 10.1016/j.com-penvurbsys.2008.09.006.

36. Kloog I., Haim A., Stevens R.G., Barchana M., Portnov B.A. Light at night co-distributes with incident breast but not lung cancer in the female population of Israel. Chronobiol. Int. 2008;25(1):65-81. DOI 10.1080/07420520801921572.

37. Kloog I., Stevens R.G., Haim A., Portnov B.A. Nighttime light level codistributes with breast cancer incidence worldwide. Cancer Causes Control. 2010;21(12):2059-2068. DOI 10.1007/s10552-010-9624-4.

38. Krishnan N., Kretzschmar D., Rakshit K., Chow E., Giebultowicz J.M. The circadian clock gene period extends health span in aging Drosophila melanogaster. Aging (Albany N.Y.). 2009;1(11):937-948. DOI 10.18632/aging.100103.

39. Lans H., Jansen G. Multiple sensory G proteins in the olfactory, gustatory and nociceptive neurons modulate longevity in Caenorhabdi-tis elegans. Dev. Biol. 2007;303(2):474-482. DOI 10.1016/j.ydbio.2006.11.028.

40. Lehrer S. Blindness increases life span of male rats: pineal effect on longevity. J. Chronic. Dis. 1981;34(8):427-429. DOI 10.1016/0021-9681(81)90041-2.

41. McLay L.K., Green M.P., Jones T.M. Chronic exposure to dim artificial light at night decreases fecundity and adult survival in Drosophila melanogaster. J. Insect Physiol. 2017;100:15-20. DOI 10.1016/j.jinsphys.2017.04.009.

42. Moskalev A.A., Proshkina E.N., Belyi A.A., Solovyev I.A. Genetics of aging and longevity. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2017;7(4):369-384. DOI 10.1134/s2079059717040074.

43. Ostrovsky M.A. Rhodopsin: Evolution and comparative physiology. Pa-leontol. J. 2017;51(5):562-572. DOI 10.1134/s0031030117050069.

44. Papp S.J., Huber A.L., Jordan S.D., Kriebs A., Nguyen M., Mores-co J.J., Yates J.R., Lamia K.A. DNA damage shifts circadian clock time via Hausp-dependent Cry1 stabilization. Elife. 2015;4. DOI 10.7554/eLife.04883.

45. Patel S.A., Chaudhari A., Gupta R., Velingkaar N., Kondratov R.V. Circadian clocks govern calorie restriction-mediated life span extension through BMAL1- and IGF-1-dependent mechanisms. FASEB J. 2016;30(4):1634-1642. DOI 10.1096/fj.15-282475.

46. Plachetzki D.C., Fong C.R., Oakley T.H. The evolution of phototransduction from an ancestral cyclic nucleotide gated pathway. Proc. Biol. Sci. 2010;277(1690):1963-1969. DOI 10.1098/rspb.2009.1797.

47. Poletini M.O., Moraes M.N., Ramos B.C., Jeronimo R., Castrucci A.M. TRP channels: a missing bond in the entrainment mechanism of peripheral clocks throughout evolution. Temperature (Austin). 2015; 2(4):522-534. DOI 10.1080/23328940.2015.1115803.

48. Randall A.S., Liu C.H., Chu B., Zhang Q., Dongre S.A., Juusola M., Franze K., Wakelam M.J., Hardie R.C. Speed and sensitivity of phototransduction in Drosophila depend on degree of saturation of membrane phospholipids. J. Neurosci. 2015;35(6):2731-2746. DOI 10.1523/JNEUROSCI.1150-14.2015.

49. Riera C.E., Huising M.O., Follett P., Leblanc M., Halloran J., Van An-del R., de Magalhaes Filho C.D., Merkwirth C., Dillin A. TRPV1 pain receptors regulate longevity and metabolism by neuropeptide signaling. Cell. 2014;157(5):1023-1036. DOI 10.1016/j.cell.2014.03.051.

50. Shen J., Zhu X., Gu Y., Zhang C., Huang J., Xiao Q. Toxic effect of visible light on Drosophila life span depending on diet protein content. J. Gerontol. Ser. A. 2018. DOI 10.1093/gerona/gly042.

51. Sheng Y., Tang L., Kang L., Xiao R. Membrane ion channels and receptors in animal lifespan modulation. J. Cell. Physiol. 2017;232(11): 2946-2956. DOI 10.1002/jcp.25824.

52. Shostal O.A., Moskalev A.A. The genetic mechanisms of the influence of the light regime on the lifespan of Drosophila melanogaster. Front. Genet. 2012;3:325. DOI 10.3389/fgene.2012.00325.

53. Solovev I., Shaposhnikov M., Kudryavtseva A., Moskalev A. Drosophila melanogaster as a model for studying the epigenetic basis of aging. Epigenetics of Aging and Longevity. Elsevier: Academic Press, 2018; 293-307. DOI 10.1016/B978-0-12-811060-7.00014-0.

54. Song B.M., Lee C.H. Toward a mechanistic understanding of color vision in insects. Front. Neural Circuits. 2018;12(16). DOI 10.3389/fncir.2018.00016.

55. Szklarczyk D., Morris J.H., Cook H., Kuhn M., Wyder S., Simo-novic M., Santos A., Doncheva N.T., Roth A., Bork P., Jensen L.J., von Mering C. The STRING database in 2017: quality-controlled protein-protein association networks, made broadly accessible. Nucleic Acids Res. 2017;45(D1):D362-D368. DOI 10.1093/nar/gkw937.

56. Wolff T., Ready D.F. Pattern formation in the Drosophila retina. The Development of Drosophila melanogaster. N.Y. Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press. 1993;2:1277-1325.

57. Xiao R., Liu J., Xu X.Z. Thermosensation and longevity. J. Comp. Physiol. A-Neuroethol. Sens. Neural. Behav. Physiol. 2015;201(9):857-867. DOI 10.1007/s00359-015-1021-8.

58. Zou S., Meadows S., Sharp L., Jan L.Y., Jan Y.N. Genome-wide study of aging and oxidative stress response in Drosophila melanogas-ter. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000;97(25):13726-13731. DOI 10.1073/pnas.260496697.