Морфологични признаци на стареене на клетките. Клетъчно стареене (ин витро)

Днес науката, наречена цитогеронтология, изучава възпроизводството и стареенето на клетките. Учените са успели да установят, че има не само прост процес на естествено стареене на клетките с последващата им смърт, но и може да бъде програмиран на генетично ниво.

Този процес се нарича също „апоптоза“, както е описано по-горе. Тази програма е заложена на генетично ниво на всеки човек и основната й цел е да освободи тялото от излишния клетъчен материал, който вече не е необходим.

Към днешна дата учените са успели да представят едновременно няколко теории за това как точно може да протича процесът на стареене на клетките в тялото.

Днес учените доста активно провеждат различни изследвания, по време на които изучават процеса на стареене на клетките на съединителната тъкан на човешкото тяло. Тези клетки са разположени в цялото тяло и участват пряко и доста активно в почти всички метаболитни процеси на тялото, които са важни за човешкия живот.

Има група учени, които са почти сто процента сигурни, че клетките на съединителната тъкан или фибробластите буквално „принуждават“ всички други системи, както и клетките на човешкото тяло, да стареят. Тоест настъпва едновременно стареене на целия организъм.

Благодарение на продължаващите изследвания учените успяха да установят, че мутациите също играят определена роля в процеса на стареене на телесните клетки. В крайна сметка, както е известно, митохондриите постепенно се натрупват в ДНК, появявайки се точно в резултат на определени мутации.

В процеса на разрушаване на клетките специфичен протеин като протеина p53 също играе важна роля. Например, ако поради определени обстоятелства в човешкото тяло се появят туморни клетки, моментално се активира апоптозата, тоест процесът на тяхното естествено унищожаване.

Също така беше възможно да се установи точно каква роля играе този процес в стареенето на клетките, но към днешна дата учените не са успели да установят напълно тази теория, така че тя е чисто теоретична. Провеждат се различни изследвания върху мускулите и всеки път учените получават напълно противоречиви резултати.

Има и друг важен фактор, който оказва пряко влияние върху процеса на стареене на клетките в човешкото тяло – разграждането на лимфоцитните клетки, което става постепенно. Изследванията са проведени върху примати и резултатите показват, че ако ежедневната диета съдържа минимално количество калории, тогава стареенето на имунните клетки естествено ще се забави.

В същото време вещество, което е част от кръвта и се проявява в началото на възпалението, също може да забави процеса на тяхното стареене - това е уникален С реактивен протеин. Инфекцията с опасни онковируси може да доведе до началото на бърз процес на естествено изсъхване на имунната система, поради което защитната система на организма започва да страда.

Младостта на клетките, както и на цялото човешко тяло, е пряко свързана с такова специално вещество като теломераза. Това вещество е един от специалните ензими, които имат способността да добавят уникални участъци от ДНК молекули, които могат да се повтарят. В резултат на този процес клетките могат да придобият такава характеристика като буквално безкрайно възпроизвеждане, след което те няма да умрат, а ще продължат да се делят по-нататък.

Например, в ембрионална клетка се наблюдава доста висока активност на това уникално вещество (теломераза). Именно в резултат на постепенното изчезване на този ензим ще настъпи клетъчното стареене.

Последните две-три години буквално бяха години на пробив за геронтологията. Първо, учените намериха начин да удължат живота на дрожди, червеи и дори мишки чрез гладуване, след това откриха няколко гена, които могат да удължат активното дълголетие. Възможно е дори да се открие връзка между развитието на репродуктивната система, мастната тъкан и продължителността на живота.

Но подходът към молекулярната и клетъчната основа на стареенето не се е променил от няколко десетилетия: натрупването на мутации, които неизбежно възникват по време на деленето, постепенното разрушаване на протеините и изчерпването на „резервните“ системи.

Мартин Хетцер от Института за биологични изследвания Salk и неговите колеги успяха значително да прецизират това разбиране:

Зад общите думи за износване се крие най-малкото нарушение във функционирането на ядрените пори, които осигуряват селективен обмен на съдържание между ядрото и клетката.

Въпреки микроскопичните размери - от пет до стотици микрометра, самата клетка включва още няколко десетки органели, основната сред които е ядрото, което осигурява регулирането на всички вътреклетъчни и дори извънклетъчни процеси. Вътре в ядрото, което може да заема до 80% от обема (в сперматозоидите), се намира най-ценното - генетична информация, криптирана в ДНК последователността.

Ако не беше ядрената мембрана, тогава броят на мутациите и неуспехите при четене на кода просто не биха позволили на клетката да живее. Но въпреки двойната мембрана около хромозомите,

Генетичният апарат не е изолиран: различни видове РНК постоянно напускат ядрото, регулирайки протеиновия синтез, докато сигналите, активиращи транскрипционните фактори, проникват вътре.

Както в случая с „по-големите“ бариери, които действат на нивото на целия организъм, ядрената също има селективна пропускливост: например мастноразтворимите молекули, било то стероидни хормони или някои лекарства, лесно проникват през самата мембрана, което е по-скоро като тънък маслен филм с разпръснати.

Но нуклеиновите киселини, протеините и други хидрофилни съединения са обречени да преминават през специални канали - ядрени пори. Въпреки разнообразието от молекули, които преминават, самите пори са доста консервативно структурирани в повечето организми и се състоят от вътрешен канал и симетрични външни части, подобни на протеинови молекули, разположени във върховете на осмоъгълник.

Както показаха Хетцер и съавторите на публикацията в Cell, с течение на времето тези пори започват да "изтичат", което причинява по-"забележими" последствия - отлагането на амилоидни плаки по кръвоносните съдове на мозъка, разрушаването на хрущяла в ставите и "декрепацията" на сърцето.

Използвайки примера на мускулните клетки, а след това и цялото тяло на нематода C. elegans, учените демонстрираха, че периферната част на ядрения канал се обновява редовно, докато централната част се възстановява само по време на клетъчното делене, по време на което ядрената мембрана е първо унищожени и след това формирани отново. Съответно ядрените пори постепенно се „износват“, но за разлика от други вътреклетъчни системи не се обновяват, което води до „изтичане“. В резултат на това в ядрото навлизат не само мутагени, но и други молекули, които нарушават функционирането на генетичния апарат.

Ако става дума за постоянно обновяване на кожни клетки или чревен епител, тогава такъв проблем не възниква, но какво да кажем за нервните или мускулните клетки, които практически не се делят през целия живот? Не е изненадващо, че техният метаболизъм е свързан не само със „сигнали“ от ядрото, но и с установени каскади от реакции, които не изискват бърза намеса на генетичния апарат.

Откритието на Хетцер не се превърна в поредната „самодостатъчна“ хипотеза в теорията на стареенето. Учените демонстрираха как реактивните кислородни видове, които отдавна са се превърнали в основен враг на геронтолозите, могат да ускорят износването и разрушаването на ядрените пори, а с това и стареенето на цялата клетка. Можем само да се надяваме, че система, която компенсира тези „изтичания“, все още съществува и ако може да бъде открита, това ще бъде нов крайъгълен камък в изследването на активното дълголетие.

Въпреки универсалността си, процесът на стареене е трудно да се дефинира ясно. С възрастта настъпват физиологични и структурни промени в почти всички органи. При стареенето от голямо значение са генетичните и социалните фактори, хранителните модели, както и свързаните с възрастта заболявания - атеросклероза, диабет, остеоартрит. Свързаното с възрастта увреждане на клетките също е важен компонент на стареещото тяло.

С възрастта прогресивно страдат редица клетъчни функции. Намалява активността на окислителното фосфорилиране в митохондриите, синтеза на ензими и клетъчни рецептори. Стареещите клетки имат намалена способност да абсорбират хранителни вещества и да възстановяват хромозомни увреждания. Морфологичните промени в стареещите клетки включват неправилни и лобулирани ядра, полиморфни вакуолизирани митохондрии, намаляване на ендоплазмения ретикулум и деформация на ламеларния комплекс. В същото време се натрупва пигмент липофусцин.

Стареенето на клетките е многофакторен процес. Той включва ендогенни молекулярни програми за клетъчно стареене, както и екзогенни влияния, водещи до прогресивна намеса в процесите на клетъчно оцеляване.

Феноменът на клетъчното стареене се изучава интензивно в in vitro експерименти. Доказано е, че в стареещите клетки се активират гени, специфични за стареенето, гени, които регулират растежа, се увреждат, инхибитори на растежа се стимулират и други генетични механизми също се активират.

Предполага се, че генните дефекти могат да бъдат причинени от теломерно скъсяване на хромозомите. Теломерите играят важна роля в стабилизирането на крайните части на хромозомите и прикрепването им към ядрената матрица. Например, дължината на теломерите намалява в последните пасажи на клетъчната култура и в клетъчната култура на възрастни хора. Установена е връзка между дължината на теломерите и активността на теломераза.

Придобитите клетъчни увреждания по време на стареене възникват под въздействието на свободните радикали. Причините за тези увреждания могат да бъдат излагане на йонизиращо лъчение или прогресивно намаляване на активността на антиоксидантните защитни механизми, като витамин Е, глутатион пероксидаза. Увреждането на клетките от свободните радикали е придружено от натрупване на липофусцин, но самият пигмент не е токсичен за клетката. Освен това SPOL и свободните радикали причиняват увреждане на нуклеиновите киселини както в ядрото, така и в митохондриите. Мутациите и разрушаването на митохондриалната ДНК стават драматични с напредване на възрастта. Свободните кислородни радикали също така катализират образуването на модификации на протеини, включително ензими, което ги прави чувствителни към увреждащите ефекти на неутралните и алкалните протеази, съдържащи се в цитозола, което води до допълнително нарушаване на клетъчните функции.

Посттранслационните промени във вътреклетъчните и извънклетъчните протеини също настъпват с възрастта. Един от видовете такива промени е неензимното гликозилиране на протеини. Например свързаното с възрастта гликозилиране на протеините на лещата е в основата на сенилната катаракта.

И накрая, има доказателства за нарушено образуване на стресови протеини in vitro при експериментални животни по време на стареене. Образуването на стресови протеини е най-важният механизъм за защита срещу различни видове стрес.

Стареенето на клетките е многофакторен процес и вълнува учените от незапомнени времена. Този процес включва ендогенни молекулярни програми за клетъчно стареене, както и екзогенни влияния, водещи до прогресивна намеса в процесите на клетъчно оцеляване.

С възрастта прогресивно страдат редица клетъчни функции. Стареещите клетки имат намалена способност да абсорбират хранителни вещества и да възстановяват хромозомни увреждания. Морфологични промени в стареещите клетки, при които активността на окислителното фосфорилиране в митохондриите и тяхната вакуолизация намалява, ендоплазменият ретикулум намалява и активността на синтеза на ензими и клетъчни рецептори намалява. Какви трансформации настъпват в клетъчното ядро по време на процеса на стареене.

КЛЕТЪЧНО ЯДРОе мястото на съхранение и внедряване на генетичен материал - планове за изграждане и регулиране на процесите на протеинов синтез в клетката.

ОСНОВЕН КОМПОНЕНТИ НА ЯДРОТОСА:

ядрена мембрана;
хроматин;
ядро;
ядрена матрица.

Ядрото винаги е локализирано на определено място в клетката. Основните функции, изпълнявани от клетъчното ядро, са съхранението, използването и предаването на генетична информация. В допълнение, ядрото е отговорно за образуването на рибозомни субединици.

Ядрото в клетката може да бъде в две състояния: митотично (по време на делене) и интерфазно (между деленията). По време на интерфазата под микроскоп се вижда само ядрото в ядрото на живата клетка и то изглежда оптически празно. Структурите на ядрото под формата на нишки и зърна могат да се наблюдават само когато клетката е изложена на увреждащи фактори, когато тя преминава в гранично състояние между живота и смъртта. От това състояние клетката може да се върне към нормален живот или да умре.

ЯДРЕНА МЕМБРАНА - основна функция е бариерна. Той е отговорен за отделянето на съдържанието на ядрото от цитоплазмата, ограничаване на свободния транспорт на макромолекули между ядрото и цитоплазмата, както и създаване на интрануклеарен ред - фиксиране на хромозомен материал. Ядрената обвивка се състои от външна и вътрешна ядрена мембрана.

Външната мембрана на ядрената обвивка, която е в пряк контакт с цитоплазмата на клетката, има редица структурни характеристики, които позволяват тя да бъде класифицирана като част от мембранната система на самия ендоплазмен ретикулум. На първо място, такива характеристики включват наличието на множество полирибозоми от страната на хиалоплазмата, а самата външна ядрена мембрана може директно да се трансформира в мембраните на гранулирания ендоплазмен ретикулум.

Вътрешната ядрена мембрана е свързана с хромозомния материал на ядрото. От страната на кариоплазмата, така нареченият фибриларен слой, състоящ се от фибрили, е в съседство с вътрешната ядрена мембрана, но не е характерен за всички клетки.

Ядрената обвивка не е непрекъсната. Съдържа ядрени пори, които се образуват в резултат на сливането на две ядрени мембрани. В този случай се образуват кръгли проходни отвори. Тези дупки в ядрената обвивка са пълни със сложни глобуларни и фибриларни структури. Броят на ядрените пори зависи от метаболитната активност на клетките: колкото по-интензивни са синтетичните процеси в клетката, толкова повече пори са на единица повърхност на клетъчното ядро.

ХРОМАТИН(от гръцки chroma - цвят, боя) е основната структура на интерфазното ядро. Химически представлява комплекс от протеини и ДНК с различна степен на спиралност (усукване). ДНК е последователност от нуклеотиди, индивидуална и уникална за всеки. Това е уникален шифър или код, който определя характеристиките на структурата, функционирането и развитието (стареенето) на тялото. Тоест характеристиките на стареенето се наследяват.

Морфологично се разграничават два вида хроматин: хетерохроматин и еухроматин. Хетерохроматинсъответства на хромозомни региони, частично кондензирани в интерфазата и е функционално неактивен. Еухроматин- това са участъци от хромозоми, декондензирани в интерфаза, функционално активен хроматин.

По време на митозата целият еухроматин е максимално кондензиран и става част от хромозомите. През този период хромозомите не изпълняват никакви синтетични функции. Понякога, в някои случаи, цяла хромозома може да остане в кондензирано състояние по време на интерфазата и изглежда като гладък хетерохроматин. Например, една от Х-хромозомите на соматичните клетки на женското тяло е подложена на хетерохроматизация в началните етапи на ембриогенезата (по време на фрагментацията) и не функционира. Този хроматин се нарича полов хроматин или телца на Бар.

Хроматиновите протеини съставляват 60-70% от сухата му маса и са представени от две групи:

хистонови протеини;
нехистонови протеини.

Хистонови протеини(хистони) са алкални протеини, съдържащи основни аминокиселини (главно лизин, аргинин). Те са разположени неравномерно под формата на блокове по дължината на ДНК молекулата. Един блок съдържа 8 хистонови молекули, които образуват нуклеозома. Нуклеозомата се образува чрез уплътняване и супернавиване на ДНК.

Нехистоновите протеини съставляват 20% от количеството хистони и в интерфазните ядра образуват структурна мрежа вътре в ядрото, която се нарича ядрена протеинова матрица. Тази матрица представлява скелето, което определя морфологията и метаболизма на ядрото.

Нуклеол- най-плътната структура на ядрото, това е производно на хромозомата, един от нейните локуси с най-висока концентрация и активен синтез на РНК в интерфазата, но не е независима структура или органела.

Ядрото има разнородна структура и се състои от два основни компонента - гранулиран и фибриларен. Гранулираният компонент е представен от гранули (зреещи рибозомни субединици) и е локализиран по периферията. Фибриларният компонент е рибонуклеопротеиновите вериги на рибозомните прекурсори, които са концентрирани в централната част на ядрото.

Ултраструктурата на нуклеолите зависи от активността на синтеза на РНК: при високо ниво на синтез се откриват голям брой гранули в нуклеола; когато синтезът спре, броят на гранулите намалява и нуклеолите се превръщат в плътни фибриларни нишки на базофилни природа.

ЯДРЕНА МАТРИЦА (кариоплазма) е течната част на ядрото, която запълва пространството между хроматина и нуклеолите.

Кариоплазмата се състои главно от протеини, метаболити и йони. Част от ядрената матрица е фиброзната ламина на ядрената обвивка. Ядреният скелет вероятно допринася за образуването на протеинов скелет, към който са прикрепени ДНК вериги.

ФИЗИОЛОГИЧНО СТАРЕЕНЕ НА КЛЕТКИТЕе състояние на необратимо спиране на растежа. Основата на стареенето на тялото е клетъчното стареене. Което от своя страна е причинено от реорганизация на генома, която възниква в резултат на скъсяване на теломерите и дефекти в системите за възстановяване на ДНК.

Доказано е, че в стареещите клетки се активират специфични гени, увреждат се регулаторите и се стимулират инхибиторите на растежа, активират се и други генетични механизми. Учените предполагат, че генните дефекти могат да бъдат причинени от теломерно скъсяване на хромозомите.

Теломерите играят важна роля в стабилизирането на крайните части на хромозомите и прикрепването им към ядрената матрица. Дължината на теломерите намалява в клетките на възрастни хора. Открита е връзка между дължината на теломера и активността на теломераза, в резултат на което дължината на теломерните участъци на клетъчните хромозоми се увеличава или остава на постоянно ниво.

Старите клетки не изглеждат като млади и това се проявява в натрупването на излишни ДНК фрагменти и неправилни клетъчни протеини, както и появата на анормални структури в нуклеола (група от протеини и нуклеинови киселини, разположени в клетъчното ядро) . Освен това тези клетки са обект на репликативно стареене, т.е. те са в състояние да се делят определен брой пъти (около 50).

Учените също установиха, че в В някои случаи е възможно да нулирате брояча. В същото време беше възможно да се установи как се активира специалният ген NDT80. За да проверят предвидената роля на този ген, изследователите го активирали в стара и невъзпроизвеждаща се клетка. Включването на NDT80 донесе двоен ефект - клетката живее два пъти по-дълго от обикновено и свързаните с възрастта дефекти в ядрото са коригирани. Това показва, че нуклеоларните аномалии държат един от ключовете за клетъчното стареене (вторият ключ, теломерният, е много по-добре проучен). За съжаление все още не е ясно как работи механизмът за нулиране на клетъчния часовник. Известно е само, че протеинът, кодиран от гена NDT80, е транскрипционен фактор, тоест служи като тригер - активира други гени в клетката.

Последователите на свободнорадикалната теория за стареенето смятат, че придобитите клетъчни увреждания по време на стареенето възникват под въздействието на свободните радикали. Причините за това увреждане може да са излагане на йонизиращо лъчение или прогресивно намаляване на активността на антиоксидантните защитни механизми, като витамин Е. Освен това свободните радикали причиняват увреждане на нуклеиновите киселини както в ядрото, така и в митохондриите. Мутациите и разрушаването на митохондриалната ДНК стават просто „драматични“ с възрастта. Свободните кислородни радикали също така катализират образуването на модификации на протеини, включително ензими, което ги прави чувствителни към увреждащите ефекти на неутралните и алкалните протеази, съдържащи се в цитозола, което води до допълнително нарушаване на клетъчните функции.

По този начин процесът на клетъчно стареене е разнообразен. Той се задейства от различни фактори и преминава през различни сигнални пътища. Процесът на стареене е различен в различните клетки, протича в различни моменти от времето, но при всички случаи води до дисфункция и смърт на клетката. Дискусията за причините за клетъчното стареене и влиянието му върху цялостното стареене на тялото все още не е достигната и учените все още не са намерили отговори на много въпроси, които са важни за разработването на средства за борба със стареенето.

КЛЕТЪЧНА КОЗМЕТИКА CELLCOSMET & CELLMEN (ШВЕЙЦАРИЯ)
КОЗМЕТИКА "ДОКТОР ШПИЛЕР БИОКОЗМЕТИК" ( Д-Р СПИЛЪР)
ИНЖЕКЦИИ ЗА КРАСОТА

Статия за конкурса „био/мол/текст”: Изминаха повече от 50 години, откакто феноменът на клетъчното стареене беше доказан във фибробластни култури, но съществуването на стари клетки в организмаотдавна е поставено под въпрос. Нямаше доказателства, че стареенето отделни клеткииграе важна роля в стареенето на всичко тяло. През последните години бяха открити молекулярните механизми на клетъчното стареене и връзката им с рака и възпалението. Според съвременните концепции възпалението играе водеща роля в генезиса на почти всички свързани с възрастта заболявания, които в крайна сметка водят до смърт на организма. Оказа се, че старите клетки, от една страна, действат като туморни супресори (тъй като те необратимо спират да се делят и намаляват риска от трансформация на околните клетки), а от друга страна, специфичният метаболизъм на старите клетки може да причини възпаление и дегенерация на съседни предракови клетки в злокачествени. В момента се провеждат клинични изпитвания на лекарства, които селективно елиминират старите клетки в органите и тъканите, като по този начин предотвратяват дегенеративни промени в органите и рак.

В човешкото тяло има приблизително 300 вида клетки и всички те са разделени на две големи групи: някои могат да се делят и да се размножават (т.е. митотично компетентен), и други - постмитотичен- не се делят: това са неврони, достигнали краен стадий на диференциация, кардиомиоцити, гранулирани левкоцити и др.

В нашето тяло има обновяващи се тъкани, в които има пул от постоянно делящи се клетки, които заместват отработените или умиращи клетки. Такива клетки се намират в чревните крипти, в базалния слой на кожния епител и в костния мозък (хемопоетични клетки). Обновяването на клетките може да се извършва доста интензивно: например клетките на съединителната тъкан в панкреаса се подменят на всеки 24 часа, клетките на стомашната лигавица - на всеки три дни, левкоцитите - на всеки 10 дни, кожните клетки - на всеки шест седмици, приблизително 70 g пролифериращи клетките на тънките черва се отстраняват от тялото всеки ден.

Стволовите клетки, които съществуват в почти всички органи и тъкани, са способни да се делят неограничено. Регенерацията на тъканите възниква поради пролиферацията на стволови клетки, които могат не само да се делят, но и да се диференцират в клетки на тъканта, чиято регенерация настъпва. Стволовите клетки се намират в миокарда, в мозъка (в хипокампуса и обонятелните луковици) и в други тъкани. Това е много обещаващо за лечението на невродегенеративни заболявания и миокарден инфаркт.

Постоянното обновяване на тъканите спомага за увеличаване на продължителността на живота. Когато клетките се делят, настъпва подмладяване на тъканите: нови клетки идват да заменят увредените, докато възстановяването (елиминиране на увреждането на ДНК) се извършва по-интензивно и е възможна регенерация в случай на увреждане на тъканите. Не е изненадващо, че гръбначните имат значително по-дълъг живот от безгръбначните - същите насекоми, чиито клетки не се делят като възрастни.

Но в същото време обновяващите се тъкани са обект на хиперпролиферация, което води до образуването на тумори, включително злокачествени. Това се случва поради нарушена регулация на клетъчното делене и повишена скорост на мутагенеза в активно делящи се клетки. Според съвременните представи, за да придобие клетката свойството на злокачественост, тя се нуждае от 4-6 мутации. Мутации се случват рядко и за да стане една клетка ракова - това се изчислява за човешките фибробласти - трябва да се появят около 100 деления (този брой деления обикновено се случват при човек около 40-годишна възраст).

Струва си да се помни обаче, че мутациите са различни мутации и според най-новите геномни изследвания във всяко поколение човек придобива около 60 нови мутации (които не са били в ДНК на родителите му). Очевидно повечето от тях са доста неутрални (вижте „Преминали над хиляда: третата фаза на човешката геномика“). - Изд.

За да се защити от себе си, в тялото са се образували специални клетъчни механизми потискане на тумора. Един от тях е репликативното стареене на клетките ( стареене), което се състои в необратимо спиране на клетъчното делене на етап G1 от клетъчния цикъл. С напредване на възрастта клетката спира да се дели: тя не реагира на растежните фактори и става резистентна към апоптоза.

Лимит на Хейфлик

Феноменът на клетъчното стареене е открит за първи път през 1961 г. от Леонард Хейфлик и колеги, използвайки фибробластна култура. Оказа се, че клетките в култура от човешки фибробласти при добри условия живеят ограничено време и са способни да се удвоят приблизително 50 ± 10 пъти - и това число започва да се нарича границата на Хейфлик. Преди откритието на Хейфлик преобладаващата гледна точка беше, че клетките са безсмъртни, а стареенето и смъртта са свойство на организма като цяло.

Тази концепция се смяташе за неопровержима до голяма степен поради експериментите на Карел, който поддържаше култура от клетки на пилешко сърце в продължение на 34 години (тя беше изхвърлена едва след смъртта му). Въпреки това, както се оказа по-късно, безсмъртието на културата на Карел беше артефакт, тъй като заедно с феталния серум, който беше добавен към културалната среда за клетъчен растеж, там попаднаха и самите ембрионални клетки (и най-вероятно културата на Карел беше вече не е това, което беше в началото).

Раковите клетки са наистина безсмъртни. Така HeLa клетките, изолирани през 1951 г. от цервикален тумор на Henrietta Lacks, все още се използват от цитолозите (по-специално, ваксина срещу полиомиелит е разработена с помощта на HeLa клетки). Тези клетки дори са били в космоса.

За завладяващата история за безсмъртието на Хенриета Лакс вижте статията „Безсмъртните клетки на Хенриета Лакс“, както и „Наследниците на клетките на HeLa“. - Изд.

Както се оказа, границата на Хейфлик зависи от възрастта: колкото по-възрастен е човек, толкова по-малко пъти клетките му се удвояват в култура. Интересното е, че замразените клетки, когато се размразят и впоследствие култивират, изглежда запомнят броя на деленията преди замразяването. Всъщност има „брояч на делене“ вътре в клетката и при достигане на определен лимит (лимитът на Хейфлик), клетката спира да се дели и остарява. Сенесцентните (стари) клетки имат специфична морфология – те са големи, сплескани, с големи ядра, силно вакуолизирани и профилът на генната им експресия се променя. В повечето случаи те са устойчиви на апоптоза.

Стареенето на тялото обаче не може да се сведе само до стареенето на клетките. Това е много по-сложен процес. В младото тяло има стари клетки, но те са малко! Когато с възрастта стареещите клетки се натрупват в тъканите, започват дегенеративни процеси, които водят до заболявания, свързани с възрастта. Един от факторите на тези заболявания е т.нар "стерилно" възпаление, което е свързано с експресията на провъзпалителни цитокини от стареещи клетки.

Друг важен фактор за биологичното стареене е структурата на хромозомите и техните върхове - теломери.

Теломерна теория за стареенето

Фигура 1. Теломерите са краищата на хромозомите.Тъй като хората имат 23 чифта хромозоми (т.е. 46 броя), теломерите са 92.

През 1971 г. нашият сънародник Алексей Матвеевич Оловников предположи, че границата на Хейфлик е свързана с „недостатъчно репликиране“ на крайните участъци на линейните хромозоми (те имат специално име - теломери). Факт е, че във всеки цикъл на клетъчно делене теломерите се скъсяват поради неспособността на ДНК полимеразата да синтезира копие на ДНК от самия връх. Освен това Оловников прогнозира съществуването теломераза(ензим, който добавя повтарящи се ДНК последователности към краищата на хромозомите), въз основа на факта, че в противен случай в активно делящите се клетки ДНК бързо ще бъде „изядена“ и генетичният материал ще бъде загубен. (Проблемът е, че теломеразната активност избледнява в повечето диференцирани клетки.)

Теломерите (фиг. 1) играят важна роля: те стабилизират краищата на хромозомите, които в противен случай, както казват цитогенетиците, биха станали „лепкави“, т.е. податливи на различни хромозомни аберации, което води до разграждане на генетичния материал. Теломерите се състоят от повтарящи се (1000–2000 пъти) последователности (5′-TTAGGG-3′), даващи общо 10–15 хиляди нуклеотидни двойки на всеки хромозомен връх. В 3' края теломерите имат доста дълга едноверижна ДНК област (150-200 нуклеотида), която участва в образуването на бримка тип ласо (фиг. 2). Няколко протеина са свързани с теломерите, образувайки защитна „капачка“ - този комплекс се нарича подслон(фиг. 3). Shelterin защитава теломерите от действието на нуклеазите и адхезията и, очевидно, именно той запазва целостта на хромозомата.

Фигура 2. Теломерен състав и структура.Повтарящото се клетъчно делене при липса на теломеразна активност води до скъсяване на теломерите и репликативно стареене.

Фигура 3. Структура на теломерния комплекс ( shelterina). Теломерите се намират в краищата на хромозомите и се състоят от тандемни TTAGGG повторения, които завършват с 32-mer едноверижен надвес. Свързан с теломерна ДНК подслон- комплекс от шест протеина: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 и POT1.

Незащитените краища на хромозомите се възприемат от клетката като увреждане на генетичния материал, което активира възстановяването на ДНК. Теломерният комплекс, заедно с шелтерин, "стабилизира" върховете на хромозомите, предпазвайки цялата хромозома от разрушаване. В стареещите клетки критичното скъсяване на теломерите нарушава тази защитна функция и следователно започват да се образуват хромозомни аберации, които често водят до злокачествено заболяване. За да не се случи това, специални молекулярни механизми блокират клетъчното делене и клетката преминава в състояние стареене- необратимо спиране на клетъчния цикъл. В този случай клетката гарантирано няма да може да се възпроизвежда, което означава, че няма да може да образува тумор. В клетки с нарушена способност за стареене (които се възпроизвеждат въпреки дисфункцията на теломерите) се образуват хромозомни аберации.

Дължината на теломерите и скоростта на тяхното скъсяване зависи от възрастта. При хората дължината на теломерите варира от 15 хиляди нуклеотидни двойки (kb) при раждането до 5 kb. за хронични заболявания. Дължината на теломерите е максимална на 18-месечна възраст и след това бързо намалява до 12 kb. до петгодишна възраст. След това скоростта на съкращаване намалява.

Теломерите се скъсяват с различна скорост при различните хора. Така че тази скорост е силно повлияна от стреса. Е. Блекбърн (носител на Нобелова награда за физиология или медицина за 2009 г.) установи, че жените, които са постоянно подложени на стрес (например майки на хронично болни деца), имат значително по-къси теломери в сравнение с техните връстници (с около десет години!). Лабораторията на Е. Блекбърн е разработила търговски тест за определяне на „биологичната възраст“ на хората въз основа на дължината на теломерите.

Интересното е, че мишките имат много дълги теломери (50–40 kb, в сравнение с 10–15 kb при хората). При някои видове лабораторни мишки дължината на теломерите достига 150 kb. Освен това при мишки теломераза винаги е активна, което предотвратява скъсяването на теломерите. Но както всички знаят, това не прави мишките безсмъртни. Не само това, но те развиват тумори с много по-висока скорост от хората, което предполага, че скъсяването на теломерите като защитен механизъм на тумора не работи при мишки.

При сравняване на дължината на теломерите и активността на теломераза при различни бозайници се оказа, че видовете, характеризиращи се с репликативно стареене на клетките, имат по-дълъг живот и по-голямо тегло. Това са например китове, чиято продължителност на живота може да достигне 200 години. За такива организми репликативното стареене е просто необходимо, тъй като твърде много деления генерират много мутации, с които трябва по някакъв начин да се борим. Предполага се, че репликативното стареене е такъв боен механизъм, който също е придружен от потискане на теломераза.

Стареенето на диференцираните клетки протича по различен начин. И невроните, и кардиомиоцитите стареят, но не се делят! Например в тях се натрупва липофусцин, старчески пигмент, който нарушава функционирането на клетките и предизвиква апоптоза. С напредване на възрастта мазнините се натрупват в клетките на черния дроб и далака.

Връзката между репликативното стареене на клетките и стареенето на тялото, строго погледнато, не е доказана, но свързаната с възрастта патология също е придружена от стареене на клетките (фиг. 4). Злокачествените новообразувания при възрастните хора са свързани предимно с обновяване на тъканите. Ракът в развитите страни е една от основните причини за заболеваемост и смъртност, а независим рисков фактор за рак е просто... възрастта. Броят на смъртните случаи от туморни заболявания нараства експоненциално с възрастта, както и общата смъртност. Това ни казва, че има фундаментална връзка между стареенето и канцерогенезата.

Фигура 4. Човешки фибробласти от линията WI-38, хистохимично оцветени за наличие на β-галактозидазна активност. А - млади; б - стар (стареене).

Теломеразата е ензим, който е предсказан

Трябва да има механизъм в тялото, който компенсира скъсяването на теломерите, това предположение е направено от A.M. Оловников. Наистина, през 1984 г. такъв ензим е открит от Карол Грейдър и е кръстен теломераза. Теломераза (фиг. 5) е обратна транскриптаза, която увеличава дължината на теломерите, компенсирайки тяхната недостатъчна репликация. През 2009 г. Е. Блекбърн, К. Грейдър и Д. Шостак бяха удостоени с Нобелова награда за откриването на този ензим и поредица от трудове за изследване на теломерите и теломераза (вижте: „Неостаряващата Нобелова награда: 2009 г. отличава работата върху теломерите и теломераза“).

Фигура 5. Теломеразасъдържа каталитичен компонент (TERT обратна транскриптаза), теломеразна РНК (hTR или TERC), която съдържа две копия на теломерното повторение и е матрица за синтеза на теломерите, и протеина дискерин.

Според Е. Блекбърн теломераза участва в регулирането на активността на приблизително 70 гена. Теломеразата е активна в зародишни и ембрионални тъкани, в стволови и пролифериращи клетки. Намира се в 90% от раковите тумори, което осигурява неконтролируемото размножаване на раковите клетки. В момента сред лекарствата, които се използват за лечение на рак, има инхибитор на теломераза. Но в повечето соматични клетки на възрастен организъм теломеразата не е активна.

Клетката може да бъде приведена в състояние на стареене от много стимули - дисфункция на теломерите, увреждане на ДНК, което може да бъде причинено от мутагенни влияния на околната среда, ендогенни процеси, силни митогенни сигнали (свръхекспресия на онкогени Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 , и т.н.), нарушения на хроматина, стрес и т.н. Всъщност клетките спират да се делят - започват да стареят - в отговор на потенциално причиняващи рак събития.

Пазител на генома

Дисфункцията на теломерите, която възниква, когато те са скъсени или шелтеринът е нарушен, активира протеина p53. Този транскрипционен фактор довежда клетката до състояние на стареене или причинява апоптоза. При липса на р53 се развива хромозомна нестабилност, характерна за човешките карциноми. Мутации в протеина p53 се откриват в 50% от аденокарциномите на гърдата и в 40–60% от колоректалните аденокарциноми. Затова p53 често се нарича „пазител на генома“.

Теломеразата се реактивира при повечето тумори от епителен произход, които се срещат при възрастни хора. Смята се, че реактивирането на теломераза е важна стъпка в злокачествените процеси, тъй като позволява на раковите клетки да „прескочат“ ограничението на Хейфлик. Теломерната дисфункция насърчава хромозомни сливания и аберации, което при липса на р53 най-често води до злокачествено заболяване.

За молекулярните механизми на клетъчното стареене

Фигура 6. Диаграма на клетъчния цикъл.Клетъчният цикъл е разделен на четири етапа: 1. G1(предсинтетичен) - периодът, когато клетката се подготвя за репликация на ДНК. На този етап може да настъпи спиране на клетъчния цикъл, ако се открие увреждане на ДНК (по време на възстановяване). Ако се открият грешки в репликацията на ДНК и те не могат да бъдат коригирани чрез поправка, клетката не навлиза в етап S. 2.S(синтетичен) - когато настъпва репликация на ДНК. 3. G2(постсинтетичен) - подготовка на клетката за митоза, когато се проверява точността на репликацията на ДНК; ако се открият недостатъчно репликирани фрагменти или други смущения в синтеза, преходът към следващия етап (митоза) не настъпва. 4. М(митоза) - образуването на клетъчно вретено, сегрегация (хромозомна дивергенция) и образуване на две дъщерни клетки (самото деление).

За да разберете молекулярните механизми на прехода на клетката към състояние на стареене, ще ви припомня как става клетъчното делене.

Процесът на възпроизвеждане на клетките се нарича пролиферация. Времето, през което една клетка съществува от делене до делене, се нарича клетъчен цикъл. Процесът на пролиферация се регулира както от самата клетка - автокринни растежни фактори - така и от нейната микросреда - паракринни сигнали.

Активирането на пролиферацията става през клетъчната мембрана, която съдържа рецептори, които възприемат митогенни сигнали - това са главно растежни фактори и междуклетъчни контактни сигнали. Растежните фактори обикновено имат пептиден характер (около 100 от тях са известни досега). Това са например факторът на растежа на тромбоцитите, който участва в образуването на тромби и заздравяването на рани, факторът на растежа на епитела, различни цитокини - интерлевкини, фактор на туморна некроза, колониестимулиращи фактори и др. След активиране на пролиферацията, клетката излиза от G0 фазата на покой и клетъчният цикъл започва (фиг. 6).

Клетъчният цикъл се регулира от циклин-зависими кинази, различни за всеки етап от клетъчния цикъл. Те се активират от циклини и се инактивират от редица инхибитори. Целта на такава сложна регулация е да се осигури синтез на ДНК с възможно най-малко грешки, така че дъщерните клетки да имат абсолютно идентичен наследствен материал. Проверката на правилността на копирането на ДНК се извършва в четири „контролни точки“ на цикъла: ако се открият грешки, клетъчният цикъл спира и възстановяването на ДНК се активира. Ако увреждането на структурата на ДНК може да бъде коригирано, клетъчният цикъл продължава. Ако не, по-добре е клетката да се „самоубие“ (чрез апоптоза), за да избегне възможността да стане ракова.

Молекулярните механизми, водещи до необратимо спиране на клетъчния цикъл, се контролират от туморни супресорни гени, включително p53 и pRB, свързани с циклин-зависими киназни инхибитори. Потискането на клетъчния цикъл в G1 фазата се осъществява от протеина р53, действащ чрез инхибитора на циклин-зависимата киназа р21. Транскрипционният фактор p53 се активира от увреждане на ДНК и неговата функция е да отстранява от пула от репликиращи се клетки тези, които са потенциално онкогенни (оттук и прозвището p53 - "пазител на генома"). Тази идея се подкрепя от факта, че мутациите на p53 се откриват в ~ 50% от злокачествените тумори. Друга проява на активността на р53 е свързана с апоптоза на най-увредените клетки.

Клетъчно стареене и заболявания, свързани с възрастта

Фигура 7. Връзка между стареенето на клетките и стареенето на тялото.

Стареещите клетки се натрупват с възрастта и допринасят за свързаните с възрастта заболявания. Те намаляват пролиферативния потенциал на тъканта и изчерпват пула от стволови клетки, което води до дегенеративни тъканни нарушения и намалява способността за регенерация и обновяване.

Стареещите клетки се характеризират със специфична генна експресия: те секретират възпалителни цитокини и металопротеинази, които разрушават междуклетъчния матрикс. Оказва се, че старите клетки осигуряват бавно сенилно възпаление, а натрупването на стари фибробласти в кожата причинява свързано с възрастта намаляване на способността за зарастване на рани (фиг. 7). Старите клетки също така стимулират пролиферацията и злокачествеността на близките предракови клетки чрез секрецията на епителен растежен фактор.

Стареещите клетки се натрупват в много човешки тъкани и присъстват в атеросклеротични плаки, кожни язви, артритни стави и в доброкачествени и пренеопластични хиперпролиферативни лезии на простатата и черния дроб. Когато раковите тумори се облъчват, някои клетки също влизат в състояние на стареене, като по този начин се осигуряват рецидиви на заболяването.

По този начин клетъчното стареене демонстрира ефекта на отрицателната плейотропия, чиято същност е, че това, което е добро за младия организъм, може да стане лошо за стария. Най-яркият пример са процесите на възпаление. Изразената възпалителна реакция допринася за бързото възстановяване на младото тяло от инфекциозни заболявания. В напреднала възраст активните възпалителни процеси водят до заболявания, свързани с възрастта. Вече е общоприето, че възпалението играе решаваща роля при почти всички заболявания, свързани с възрастта, като се започне от невродегенеративните.