Клеточное старение
Клеточное старение — явление, которое обычно связывают с потерей способности клеток к делению (предел Хейфлика). Этот процесс также называется репликативным старением. В русскоязычной литературе под термином клеточное старение ещё понимают снижение функциональной активности клеток по мере увеличения их возраста.
Клетки, растущие в культуре, могут делиться только определённое число раз, после чего переходят в стадию старения. Такие клетки характеризуются снижением интенсивности энергообмена, замедлением синтеза РНК и белков, понижением эффективности репарации ДНК и накоплением мутаций. Часто наблюдается «разбалансировка» клеточной регуляции. Признаками клеточного старения считаются накопление специфического гликолипопротеида липофусцина и активация бета-галактозидазы. Клеточное старение было показано для многих типов клеток.
Стареющие клетки могут долгое время оставаться жизнеспособными. Нередко после остановки деления и торможения клеточного цикла у них не наступает программируемой клеточной гибели. Обычно они уничтожаются клетками иммунной системы. С возрастом в организме накапливаются старые клетки, вероятно, потому что иммунная система начинает хуже выполнять свои функции.
Стареющие клетки могут оказывать влияние как на соседние клетки, так и на весь организм, выделяя определённые сигнальные молекулы. Влияние это разнообразно, плохо изучено и в среднем скорее отрицательно. Похоже, что клеточное старение является одним из механизмов старения организма в целом.
Содержание
Механизмы клеточного старения
Укорочение теломер
Укорочение теломер, концевых участков ДНК на концах хромосом — одна из основных причин ограничения числа клеточных делений и клеточного старения. Функциями теломер являются защита хромосом от деградации и «слипания» их друг с другом. Анализ длины теломерных повторов выявил, что соматические клетки теряют от 50 до 200 нуклеотидов при каждом клеточном делении. Это происходит из-за того, что ДНК-полимераза не способна реплицировать концы молекул ДНК. При отсутствии в клетках активной теломеразы после определённого числа делений происходит сильное укорочение теломер, и клетка перестает делиться. Количество клеточных делений, которые произошли до этого момента, носит название предела Хейфлика. Для большинства соматических клеток человека этот предел составляет около пятидесяти делений.
Сама идея отсчёта клеточных делений и старения вследствие недорепликации ДНК на концах хромосом (теломерных участков) принадлежит российскому учёному А. М. Оловникову. Теория была выдвинута в 1971 году для объяснения экспериментальных данных Леонарда Хейфлика и получила название маргинотомии.
Считается, что укорачивание хромосом до определённого размера вызывает процессы клеточного старения, а длина теломер, по этим представлениям, может служить мерой клеточного потенциала к делению.
Следует отметить, что у клеток больных синдромом Хатчинсона — Гилфорда (детская прогерия) предел Хейфлика значительно снижен. Схожая картина наблюдается у больных синдромом Вернера (прогерия взрослых). В этом случае больные нормально доживают до 17-18 лет, но начинают стремительно стареть, перейдя этот рубеж. Теломеры у таких больных нормальной длины, но из-за мутаций их ДНК более чувствительна к разрушению, чем ДНК здорового человека.
Согласно ещё одной модели, у молодых клеток пока ещё длинные теломеры находятся в области гетерохроматина. По мере укорочения теломер область гетерохроматина включает в себя всё больше субтеломерной ДНК, где, возможно, находится некий ген-супрессор, подавляющий программу клеточного старения. Инактивация этого гена путём включения его в область гетерохроматина и приводит к запуску процесса старения.
Роль фосфоинозитид-3-киназы
Фосфоинозитид-3-киназа (PI3K) контролирует пролиферацию клеток и апоптоз. Существуют данные о влиянии PI3K на регуляцию клеточного старения.
Ген Age1 нематоды Caenorhabditis elegans является гомологом гена млекопитающих, кодирующего каталитическую субъединицу PI3K. Мутации в гене Age1 значительно увеличивают продолжительность жизни червей.
Ингибирование PI3K в культуре человеческих фибробластов приводит к торможению их пролиферации. Клетки демонстрируют признаки, характерные для стареющих клеток: активацию бета-галактозидазы, повышение экспрессии гена коллагеназы и подавление экспрессии специфического маркера пролиферирующих фибробластов, гена EPC-1 (англ. early population doubling level cDNA 1).
Признаки клеточного старения
Изменение ответа на факторы роста
По мере старения клеток уменьшается их способность реагировать на определённые внешние стимулы. Эффект действия факторов роста, гормонов и других стимулирующих агентов на старые клетки гораздо ниже, чем на молодые, способные к активному делению. Токсины, антибиотики, радиация и тепловой шок, напротив, оказывают на них более сильное воздействие.
Известно, что культуры клеток пациентов, страдающих синдромами преждевременного старения, такими как прогерия и синдром Вернера, дают значительно более низкий ответ на стимуляцию инсулином, сывороткой и другими факторами, чем клетки здоровых людей.
Рецепторные системы клеток существенно не меняются при старении. Таким образом, снижение клеточного ответа на факторы роста не связано с уменьшением количества их рецепторов.
Остановка клеточного цикла
При старении клеток наблюдается необратимая блокировка клеточного цикла. Точные механизмы, мешающие клетке перейти в S-фазу, пока неизвестны. Однако отмечается, что при пролиферативном старении клеток отсутствует экспрессия некоторых генов, обеспечивающих протекание клеточного цикла. В стареющих клетках подавлена экспрессия циклинов, Cdk2, инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1), а также некоторых других факторов. При этом никакие экзогенные факторы, в том числе IGF-1, не могут вывести «старую» клетку из состояния неспособности к делению.
Существует мнение, что апоптоз и переход клеток в стадию покоя являются альтернативными защитными реакциями на действие повреждающих агентов и необходимы для профилактики онкогенной трансформации клеток. Если повреждённая клетка по той или иной причине не переходит к апоптозу или клеточному старению, она может стать злокачественной.
Клеточное старение и рак
Болезни, связанные со старостью разделяются на две большие категории. Первую группу составляют болезни, связанные с утратой функции, в основном, это дегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, саркопения, макулодистрофия и т. д.). Вторая группа состоит из болезней, связанных с усилением функции (аденома простаты,атеросклероз и другие). Наиболее известной и смертоносной из них является рак. Факторами риска для образования злокачественных опухолей являются влияния генетических факторов и окружающей среды, но наиболее значимый из них это зрелый возраст. Вероятность опухулеобразования после 30 лет вырастает почти экспоненциально. Во-первых, это вызвано тем, что с возрастом накапливаются мутации, способствующие онкогенезу. Доказательством этого служит, например, что у людей с мутациями в генах, вызывающем рак, образование опухолей происходит в раннем возрасте. Также генетическая нестабильность (дестабилизация хромосом, обмены сестринских хроматид, анеуплоидия, мутации и амплификации генов, клональная гетерогенность, неопластическая трансформация) может влиять на онкогенез. Во-вторых, накопление стареющих клеток образует среду благоприятную для опухолеобразования. Нормальное тканевое микроокружение может подавить возможность мутированных раковых клеток размножаться и выживать, поэтому опухолевые клетки часто должны уметь модифицировать окружающую тканевую среду. Однако тканевое микроокружение само может обладать проканцерогенным состоянием независимо от присутствия раковых клеток. Возникновению такого состояния может способствовать возраст. Механизмы с помощью которых возраст вызывает состояние, благоприятствующее онкогенезу, являются мульти-факторными и до конца неизученными. Одним из таких факторов является клеточное старение. Например, повреждения или стресс, ставящие пролиферирующую клетку под риск злокачественной трансформации, вызывают клеточное старение, защищая клетки от рака. Это связано с работой p53 и p16INK4a/pRB, являющихся наиболее значимыми противоопухолевыми механизмами. Следовательно, для онкогенеза необходима генетическая (мутационная) или эпигенетическая инактивация этих эффективных путей.
Опухоли могут образовываться как из клеток, которые экспрессируют теломеразы (например, стволовые клетки), так и из клеток, которые этого не делают. В клетках, в которых нет теломераз, укорочение теломер может вызвать репликативное старение, которое должно защищать от развития рака. И, наоборот, короткие теломеры могут привести к увеличению генетической нестабильности и таким образом к образованию опухолей. А в клетках, экспрессирующих теломеразы, её выключение может вызвать генетическую нестабильность.
Однако клеточное старение может вызвать и развитие рака. Сначала эта идея кажется парадоксальной, но эволюционная теория антагонистической плейотропии предусматривает, что биологический процесс может быть как полезным, так и вредным, в зависимости от возраста. Большинство животных развивается в условиях, изобильных смертельными внешними опасностями (хищники, инфекции, голод и т. д.). В этих условиях особи в возрасте представляют редкость и поэтому отбор против процессов, которые на поздних этапах жизни способствуют болезням, является слабым. То есть, они избегают давления со стороны естественного отбора. Таким образом, биологический процесс, который был нужен для выносливости у молодых организмов (например, подавление опухолеообразования) может наносить вред зрелым организмам (вызывая болезни позднего возраста, включая рак).