Morfološki znaci starenja ćelija. ćelijsko starenje (in vitro)

Danas nauka koja se zove citogerontologija proučava reprodukciju i starenje ćelija. Naučnici su uspjeli ustanoviti da ne postoji samo jednostavan proces prirodnog starenja ćelija sa njihovom kasnijom smrću, već se može programirati i na genetskom nivou.

Ovaj proces se takođe naziva "apoptoza", kao što je gore opisano. Ovaj program je postavljen na genetskom nivou svake osobe i njegov glavni cilj je da se tijelo oslobodi viška ćelijskog materijala koji više nije potreban.

Do danas, naučnici su bili u mogućnosti da istovremeno iznesu nekoliko teorija o tome kako tačno može doći do procesa starenja ćelija u telu.

Danas naučnici prilično aktivno provode različite studije, tokom kojih proučavaju proces starenja ćelija vezivnog tkiva ljudskog tijela. Ove ćelije se nalaze u celom telu i direktno i prilično aktivno učestvuju u gotovo svim metaboličkim procesima u telu koji su važni za život čoveka.

Postoji grupa naučnika koji su gotovo stopostotno sigurni da ćelije vezivnog tkiva ili fibroblasti bukvalno „teraju“ sve ostale sisteme, kao i ćelije ljudskog tela, da stare. Odnosno, istovremeno se starenje cijelog organizma događa odjednom.

Zahvaljujući tekućim istraživanjima, naučnici su uspjeli utvrditi da mutacije također igraju određenu ulogu u procesu starenja tjelesnih ćelija. Uostalom, kao što je poznato, mitohondrije se postupno akumuliraju u DNK, nastaju upravo kao rezultat određenih mutacija.

U procesu uništavanja ćelija, specifičan protein kao što je protein p53 takođe igra važnu ulogu. Na primjer, ako se zbog određenih okolnosti u ljudskom tijelu pojave tumorske stanice, momentalno se aktivira apoptoza, odnosno proces njihovog prirodnog uništenja.

Takođe je bilo moguće utvrditi kakvu tačno ulogu ovaj proces igra u starenju ćelija, ali do danas naučnici nisu uspeli da u potpunosti utvrde ovu teoriju, tako da je ona čisto teorijska. Na mišićima se provode razne studije i svaki put naučnici dobijaju potpuno kontradiktorne rezultate.

Postoji još jedan važan faktor koji ima direktan uticaj na proces starenja ćelija u ljudskom organizmu – degradacija limfocitnih ćelija, koja se odvija postepeno. Istraživanja su provedena na primatima, a rezultati su pokazali da ako dnevna prehrana sadrži minimalnu količinu kalorija, tada će se starenje imunoloških stanica prirodno usporiti.

Istovremeno, tvar koja je dio krvi i koja se manifestira na početku upale također može usporiti proces njihovog starenja - ovo je jedinstveni C reaktivni protein. Infekcija opasnim onkovirusima može dovesti do brzog procesa prirodnog odumiranja imunološkog sistema, pa odbrambeni sistem organizma počinje da trpi.

Mladost stanica, kao i cijelog ljudskog tijela, direktno je povezana s tako posebnom tvari kao što je telomeraza. Ova supstanca je jedan od posebnih enzima koji imaju sposobnost dodavanja jedinstvenih dijelova DNK molekula koji se mogu ponoviti. Kao rezultat ovog procesa, stanice mogu steći takvu osobinu kao što je doslovno beskonačna reprodukcija, nakon čega neće umrijeti, već će nastaviti dalje dijeliti.

Na primjer, prilično visoka aktivnost ove jedinstvene tvari (telomeraze) uočena je u embrionalnoj ćeliji. Kao rezultat postepenog izumiranja ovog enzima dolazi do ćelijskog starenja.

Posljednje dvije ili tri godine su bukvalno bile prelomne za gerontologiju. Najprije su naučnici pronašli način da produže život kvascima, crvima, pa čak i miševima putem posta, zatim su pronašli nekoliko gena koji mogu produžiti aktivnu dugovječnost. Čak je bilo moguće otkriti vezu između razvoja reproduktivnog sistema, masnog tkiva i očekivanog životnog vijeka.

Ali pristup molekularnoj i ćelijskoj osnovi starenja nije se promijenio već nekoliko decenija: nakupljanje mutacija koje neizbježno nastaju tijekom diobe, postepeno uništavanje proteina i iscrpljivanje “rezervnih” sistema.

Martin Hetzer iz Salk instituta za biološka istraživanja i njegove kolege uspjeli su značajno usavršiti ovo razumijevanje:

Iza općih riječi o habanju krije se barem poremećaj u radu nuklearnih pora, koje osiguravaju selektivnu razmjenu sadržaja između jezgre i ćelije.

Unatoč mikroskopskim dimenzijama - od pet do stotina mikrometara, sama stanica uključuje još nekoliko desetina organela, među kojima je glavna jezgra, koja osigurava regulaciju svih unutarćelijskih, pa čak i ekstracelularnih procesa. Unutar jezgra, koje može zauzeti i do 80% zapremine (u spermi), nalazi se ono najvrednije - genetska informacija šifrovana u DNK sekvenci.

Da nije bilo nuklearne membrane, tada broj mutacija i neuspjeha u čitanju koda jednostavno ne bi omogućio ćeliji da živi. Ali uprkos dvostrukoj membrani koja okružuje hromozome,

Genetski aparat nije u izolaciji: različite vrste RNK stalno napuštaju jezgro, regulirajući sintezu proteina, dok signali koji aktiviraju faktore transkripcije prodiru unutra.

Kao što je slučaj sa „većim“ barijerama koje deluju na nivou celog organizma, i nuklearna ima selektivnu permeabilnost: na primer, molekule rastvorljive u mastima, bilo da su steroidni hormoni ili neki lekovi, lako prodiru u samu membranu, što je više kao tanak uljni film s prošaranom.

Ali nukleinske kiseline, proteini i druga hidrofilna jedinjenja osuđeni su da prolaze kroz posebne kanale - nuklearne pore. Unatoč raznolikosti molekula koje prolaze kroz njih, same pore su prilično konzervativno strukturirane u većini organizama i sastoje se od unutrašnjeg kanala i simetričnih vanjskih dijelova, sličnih proteinskim molekulima smještenim na vrhovima osmougla.

Kako su Hetzer i koautori publikacije u Cell pokazali, s vremenom ove pore počinju da „cure“, što uzrokuje „primetnije“ posledice – taloženje amiloidnih plakova duž krvnih sudova mozga, uništavanje hrskavice u zglobova i "dekrepacije" srca.

Na primjeru mišićnih ćelija, a potom i cijelog tijela nematode C. elegans, naučnici su pokazali da se periferni dio nuklearnog kanala redovno obnavlja, dok se centralni dio obnavlja samo tokom diobe ćelije, pri čemu se nuklearna membrana prvo uništeni, a zatim ponovo formirani. Shodno tome, nuklearne pore se postupno „trobe“, ali se, za razliku od drugih unutarćelijskih sistema, ne obnavljaju, što dovodi do „curenja“. Kao rezultat toga, ne samo mutageni, već i drugi molekuli koji ometaju funkcioniranje genetskog aparata ulaze u jezgro.

Ako je riječ o stalnom obnavljanju stanica kože ili crijevnog epitela, onda se takav problem ne javlja, ali što je s živčanim ili mišićnim stanicama koje se praktički ne dijele tijekom života? Nije iznenađujuće da je njihov metabolizam vezan ne samo za "signale" iz jezgre, već i za uspostavljene kaskade reakcija koje ne zahtijevaju brzu intervenciju genetskog aparata.

Hetzerovo otkriće nije postalo još jedna “samodovoljna” hipoteza u teoriji starenja. Naučnici su demonstrirali kako reaktivne vrste kisika, koje su odavno postale glavni neprijatelj gerontologa, mogu ubrzati trošenje nuklearnih pora, a time i starenje cijele stanice. Možemo samo da se nadamo da sistem koji kompenzuje ova „curenja“ još uvek postoji, a ako bude otkriven, to će biti nova prekretnica u proučavanju aktivne dugovečnosti.

Uprkos svojoj univerzalnosti, proces starenja je teško jasno definisati. Sa starenjem se javljaju fiziološke i strukturne promjene u gotovo svim sistemima organa. Kada su starenje, genetski i društveni faktori, obrasci ishrane, kao i bolesti povezane sa starenjem - ateroskleroza, dijabetes, osteoartritis - od velike važnosti. Oštećenje ćelija povezano sa starenjem je takođe važna komponenta tela koje stari.

S godinama, brojne ćelijske funkcije progresivno pate. Smanjuje se aktivnost oksidativne fosforilacije u mitohondrijima, sinteza enzima i ćelijskih receptora. Stareće ćelije imaju smanjenu sposobnost apsorpcije nutrijenata i popravljanja hromozomskih oštećenja. Morfološke promjene u stanicama koje stare uključuju nepravilna i lobulirana jezgra, polimorfne vakuolirane mitohondrije, smanjenje endoplazmatskog retikuluma i deformaciju lamelarnog kompleksa. Istovremeno se akumulira pigment lipofuscina.

Starenje ćelija je multifaktorski proces. Uključuje endogene molekularne programe ćelijskog starenja, kao i egzogene utjecaje koji dovode do progresivne interferencije s procesima preživljavanja stanica.

Fenomen ćelijskog starenja se intenzivno proučava u in vitro eksperimentima. Pokazalo se da se u ćelijama koje stare aktiviraju geni specifični za starenje, oštećuju geni koji regulišu rast, stimulišu inhibitori rasta, a takođe se aktiviraju i drugi genetski mehanizmi.

Pretpostavlja se da defekti gena mogu biti uzrokovani telomernim skraćivanjem hromozoma. Telomeri igraju važnu ulogu u stabilizaciji terminalnih dijelova hromozoma i njihovom vezivanju za nuklearni matriks. Na primjer, dužina telomera se smanjuje u posljednjim pasusima ćelijske kulture iu ćelijskoj kulturi starijih ljudi. Pronađena je veza između dužine telomera i aktivnosti telomeraze.

Stečena oštećenja ćelija tokom starenja nastaju pod uticajem slobodnih radikala. Uzroci ovih oštećenja mogu biti izlaganje jonizujućem zračenju ili progresivno smanjenje aktivnosti antioksidativnih odbrambenih mehanizama, kao što su vitamin E, glutation peroksidaza. Oštećenje ćelija slobodnim radikalima je praćeno nakupljanjem lipofuscina, ali sam pigment nije toksičan za ćeliju. Osim toga, SPOL i slobodni radikali uzrokuju oštećenje nukleinskih kiselina u jezgri i mitohondrijima. Mutacije i uništavanje mitohondrijske DNK postaju dramatične kako starimo. Slobodni kisikovi radikali također kataliziraju stvaranje modifikacija proteina, uključujući enzime, čineći ih osjetljivim na štetno djelovanje neutralnih i alkalnih proteaza sadržanih u citosolu, što dovodi do daljnjeg narušavanja ćelijskih funkcija.

Posttranslacijske promjene intracelularnih i ekstracelularnih proteina također se javljaju s godinama. Jedna od vrsta takvih promjena je neenzimska glikozilacija proteina. Na primjer, staračka glikozilacija proteina sočiva leži u osnovi senilne katarakte.

Konačno, postoje dokazi o poremećenom formiranju stresnih proteina in vitro kod eksperimentalnih životinja tokom starenja. Formiranje proteina stresa je najvažniji mehanizam zaštite od različitih stresova.

Starenje ćelija je multifaktorski proces i od pamtivijeka je zabrinjavao naučnike. Ovaj proces uključuje endogene molekularne programe ćelijskog starenja, kao i egzogene utjecaje koji dovode do progresivne interferencije s procesima preživljavanja stanica.

S godinama, brojne ćelijske funkcije progresivno pate. Stareće ćelije imaju smanjenu sposobnost apsorpcije hranljivih materija i popravljanja hromozomskih oštećenja. Morfološke promjene u stanicama koje stare, u kojima se smanjuje aktivnost oksidativne fosforilacije u mitohondrijima i njihova vakuolizacija, smanjuje se endoplazmatski retikulum, a smanjuje se aktivnost sinteze enzima i ćelijskih receptora. Koje se transformacije dešavaju u ćelijskom jezgru tokom procesa starenja.

CELL NUCLEUS je mjesto skladištenja i implementacije genetskog materijala – planova za izgradnju i regulaciju procesa sinteze proteina u ćeliji.

MAIN KERNEL COMPONENTS SU:

nuklearna membrana;
hromatin;
nucleolus;
nuklearne matrice.

Jedro je uvijek lokalizirano na određenom mjestu u ćeliji. Glavne funkcije koje obavlja ćelijsko jezgro su skladištenje, korištenje i prijenos genetskih informacija. Osim toga, jezgro je odgovorno za formiranje ribosomskih podjedinica.

Jezgro u ćeliji može biti u dva stanja: mitotično (u toku diobe) i interfazno (između dioba). Tokom interfaze, pod mikroskopom, u jezgru žive ćelije vidljiva je samo jezgra, koja izgleda optički prazna. Strukture jezgra u obliku niti i zrna mogu se uočiti samo kada je ćelija izložena štetnim faktorima, kada pređe u granično stanje između života i smrti. Iz ovog stanja ćelija se može vratiti normalnom životu ili umrijeti.

NUKLEARNA MEMBRANA - glavna funkcija je barijera. Odgovoran je za odvajanje sadržaja jezgre od citoplazme, ograničavanje slobodnog transporta makromolekula između jezgra i citoplazme, kao i za stvaranje intranuklearnog reda - fiksiranje hromozomskog materijala. Nuklearni omotač se sastoji od vanjske i unutrašnje nuklearne membrane.

Vanjska membrana nuklearnog omotača, koja je u direktnom kontaktu sa citoplazmom ćelije, ima niz strukturnih karakteristika koje joj omogućavaju da se klasifikuje kao dio membranskog sistema samog endoplazmatskog retikuluma. Prije svega, takve karakteristike uključuju prisutnost brojnih poliribosoma na strani hijaloplazma, a sama vanjska nuklearna membrana može se direktno transformirati u membrane granularnog endoplazmatskog retikuluma.

Unutrašnja nuklearna membrana povezana je s hromozomskim materijalom jezgre. Na strani karioplazme uz unutrašnju nuklearnu membranu nalazi se takozvani fibrilarni sloj koji se sastoji od fibrila, ali nije karakterističan za sve stanice.

Nuklearni omotač nije kontinuiran. Sadrži nuklearne pore, koje nastaju kao rezultat fuzije dvije nuklearne membrane. U tom slučaju se formiraju okrugle rupe. Ove rupe u nuklearnoj ovojnici ispunjene su složenim globularnim i fibrilarnim strukturama. Broj nuklearnih pora ovisi o metaboličkoj aktivnosti stanica: što su sintetički procesi u ćeliji intenzivniji, to je više pora po jedinici površine ćelijskog jezgra.

CHROMATIN(od grčkog chroma - boja, boja) je glavna struktura interfaznog jezgra. Hemijski, to je kompleks proteina i DNK različitog stepena spiralnosti (uvijanja). DNK je niz nukleotida, individualan i jedinstven za svakoga. To je jedinstvena šifra ili šifra koja određuje karakteristike strukture, funkcioniranja i razvoja (starenja) tijela. Odnosno, karakteristike starenja su naslijeđene.

Morfološki se razlikuju dva tipa hromatina: heterohromatin i euhromatin. Heterohromatin odgovara regionima hromozoma koji su delimično kondenzovani u interfazi i funkcionalno je neaktivan. Euchromatin- to su dijelovi hromozoma dekondenzirani u interfazi, funkcionalno aktivan kromatin.

Tokom mitoze, sav euhromatin se maksimalno kondenzira i postaje dio hromozoma. U tom periodu hromozomi ne obavljaju nikakve sintetičke funkcije. Ponekad, u nekim slučajevima, cijeli hromozom može ostati u kondenziranom stanju tokom interfaze i ima izgled glatkog heterohromatina. Na primjer, jedan od X kromosoma somatskih stanica ženskog tijela podliježe heterokromatizaciji u početnim fazama embriogeneze (tokom fragmentacije) i ne funkcionira. Ovaj hromatin se naziva polni hromatin ili Barrova tela.

Proteini hromatina čine 60-70% njegove suhe mase i predstavljeni su u dvije grupe:

histonski proteini;
nehistonski proteini.

Histonski proteini(histoni) su alkalni proteini koji sadrže bazične aminokiseline (uglavnom lizin, arginin). Nalaze se neravnomjerno u obliku blokova duž dužine molekule DNK. Jedan blok sadrži 8 molekula histona koji formiraju nukleosom. Nukleosom nastaje zbijanjem i supersmotanjem DNK.

Nehistonski proteini čine 20% količine histona i u interfaznim jezgrama formiraju strukturnu mrežu unutar jezgre, koja se naziva nuklearni proteinski matriks. Ova matrica predstavlja skelu koja određuje morfologiju i metabolizam jezgra.

Nucleolus- najgušća struktura jezgra, derivat je hromozoma, jedan od njegovih lokusa sa najvećom koncentracijom i aktivnom sintezom RNK u interfazi, ali nije samostalna struktura ili organela.

Nukleolus ima heterogenu strukturu i sastoji se od dvije glavne komponente - granularne i fibrilarne. Zrnasta komponenta je predstavljena granulama (zrele ribosomske podjedinice) i lokalizirana je duž periferije. Fibrilarna komponenta su ribonukleoproteinski lanci prekursora ribosoma, koji su koncentrisani u centralnom dijelu nukleola.

Ultrastruktura nukleola zavisi od aktivnosti sinteze RNK: pri visokom nivou sinteze u jezgri se otkriva veliki broj granula kada se sinteza zaustavi, broj granula se smanjuje, a jezgre se pretvaraju u guste fibrilne niti bazofilne; priroda.

NUKLEARNA MATRICA (karioplazma) je tekući dio jezgra koji ispunjava prostor između hromatina i jezgrica.

Karioplazma se uglavnom sastoji od proteina, metabolita i jona. Dio nuklearnog matriksa je vlaknasta lamina nuklearne ovojnice. Nuklearni skelet vjerovatno doprinosi formiranju proteinske kičme za koju su vezane DNK petlje.

FIZIOLOŠKO STARENJE ĆELIJA je stanje nepovratnog prestanka rasta. Osnova starenja organizma je ćelijsko starenje. Što je pak uzrokovano reorganizacijom genoma koja nastaje kao rezultat skraćivanja telomera i defekata u sistemima popravke DNK.

Dokazano je da se u ćelijama koje stare aktiviraju specifični geni, oštećuju regulatori i stimulišu inhibitori rasta, a aktiviraju se i drugi genetski mehanizmi. Naučnici sugeriraju da defekti gena mogu biti uzrokovani telomernim skraćivanjem hromozoma.

Telomere igraju važnu ulogu u stabilizaciji terminalnih dijelova hromozoma i njihovom vezivanju za nuklearni matriks. Dužina telomera se smanjuje u ćelijama senilnih ljudi. Otkrivena je veza između dužine telomera i aktivnosti telomeraze, usled čega se dužina telomernih regiona ćelijskih hromozoma povećava ili ostaje na konstantnom nivou.

Ostarjele ćelije ne izgledaju kao mlade, a to se očituje u nagomilavanju viška fragmenata DNK i pogrešnih ćelijskih proteina, kao i u pojavi abnormalnih struktura u nukleolusu (skup proteina i nukleinskih kiselina smještenih u jezgri ćelije) . Takođe, ove ćelije su podložne replikativnom starenju, odnosno u stanju su da se podele određeni broj puta (oko 50).

Naučnici su to takođe otkrili u U nekim slučajevima moguće je resetirati brojač. Istovremeno je bilo moguće saznati kako se aktivira specijalni gen NDT80. Kako bi potvrdili namjeravanu ulogu ovog gena, istraživači su ga aktivirali u staroj i nereproduciranoj ćeliji. Uključivanje NDT80 donijelo je dvostruki efekat - ćelija je živjela duplo duže nego inače, a defekti u nukleolusu povezani sa starenjem su ispravljeni. Ovo ukazuje da nukleolarne abnormalnosti imaju jedan od ključeva za starenje ćelija (drugi ključ, telomerni, mnogo je bolje proučen). Nažalost, još uvijek nije jasno kako funkcionira mehanizam za resetiranje mobilnog sata. Poznato je samo da je protein kodiran genom NDT80 transkripcijski faktor, odnosno služi kao okidač - aktivira druge gene u ćeliji.

Sljedbenici teorije starenja slobodnih radikala vjeruju da se oštećenje ćelija stečeno tokom starenja događa pod utjecajem slobodnih radikala. Uzroci ovog oštećenja mogu biti izloženost jonizujućem zračenju ili progresivni pad aktivnosti antioksidativnih odbrambenih mehanizama, kao što je vitamin E. Osim toga, slobodni radikali oštećuju nukleinske kiseline i u jezgri i mitohondrijima. Mutacije i uništavanje mitohondrijske DNK postaju jednostavno „dramatični“ sa godinama. Slobodni kisikovi radikali također kataliziraju stvaranje modifikacija proteina, uključujući enzime, čineći ih osjetljivim na štetno djelovanje neutralnih i alkalnih proteaza sadržanih u citosolu, što dovodi do daljnjeg narušavanja ćelijskih funkcija.

Dakle, proces ćelijskog starenja je raznolik. Pokreću ga različiti faktori i prolazi kroz različite signalne puteve. Proces starenja je različit u različitim ćelijama, javlja se u različitim vremenskim trenucima, ali u svakom slučaju dovodi do disfunkcije i smrti ćelije. Do rasprave o uzrocima ćelijskog starenja i njegovom utjecaju na cjelokupno starenje organizma još nije došlo, a naučnici tek treba da pronađu odgovore na brojna pitanja koja su važna za razvoj sredstava za borbu protiv starenja.

CELULAR COSMETICS CELLCOSMET & CELLMEN (ŠVAJCARSKA)
KOZMETIKA "DOCTOR SPIELLER BIOCOSMETIC" ( DR.SPILLER)
INJEKCIJE LJEPOTE

Članak za konkurs "bio/mol/tekst": Prošlo je više od 50 godina otkako je u kulturama fibroblasta dokazan fenomen starenja ćelija, ali postojanje starih ćelija u organizmu dugo je ispitivan. Nije bilo dokaza da starenje pojedinačne ćelije igra važnu ulogu u starenju svega tijelo. Poslednjih godina otkriveni su molekularni mehanizmi starenja ćelija i njihova povezanost sa rakom i upalom. Prema modernim konceptima, upala ima vodeću ulogu u nastanku gotovo svih bolesti povezanih sa starenjem, koje u konačnici dovode do smrti u tijelu. Pokazalo se da stare ćelije, s jedne strane, deluju kao supresori tumora (pošto nepovratno prestaju da se dele i smanjuju rizik od transformacije okolnih ćelija), as druge strane, specifični metabolizam starih ćelija može izazvati upalu i degeneracija susjednih prekanceroznih stanica u maligne. Trenutno su u toku klinička ispitivanja lijekova koji selektivno eliminiraju stare stanice u organima i tkivima, čime se sprječavaju degenerativne promjene u organima i rak.

U ljudskom tijelu postoji oko 300 vrsta ćelija, a sve su podijeljene u dvije velike grupe: neke se mogu dijeliti i razmnožavati (tj. mitotički kompetentan), i drugi - postmitotic- ne dijeliti: to su neuroni koji su dostigli ekstremnu fazu diferencijacije, kardiomiociti, granularni leukociti i drugi.

U našem tijelu postoje tkiva koja se obnavljaju u kojima se nalazi skup stanica koje se neprestano dijele koje zamjenjuju istrošene ili umiruće ćelije. Takve ćelije nalaze se u crijevnim kriptama, u bazalnom sloju epitela kože i u koštanoj srži (hematopoetske stanice). Obnavljanje ćelija može se odvijati prilično intenzivno: na primjer, ćelije vezivnog tkiva u pankreasu se zamjenjuju svaka 24 sata, ćelije želučane sluznice - svaka tri dana, leukociti - svakih 10 dana, ćelije kože - svakih šest sedmica, otprilike 70 g proliferacije ćelije tankog crijeva uklanjaju se iz tijela svaki dan.

Matične ćelije, koje postoje u gotovo svim organima i tkivima, sposobne su da se neograničeno dijele. Regeneracija tkiva nastaje zbog proliferacije matičnih ćelija koje se ne samo mogu dijeliti, već i diferencirati u ćelije tkiva čija regeneracija dolazi. Matične ćelije se nalaze u miokardu, u mozgu (u hipokampusu i olfaktornim lukovicama) i u drugim tkivima. Ovo obećava mnogo za liječenje neurodegenerativnih bolesti i infarkta miokarda.

Stalno obnavljanje tkiva pomaže produžiti životni vijek. Kada se ćelije dijele, dolazi do podmlađivanja tkiva: nove stanice dolaze na mjesto oštećenih, dok se popravak (eliminacija oštećenja DNK) intenzivnije odvija i regeneracija je moguća u slučaju oštećenja tkiva. Nije iznenađujuće da kralježnjaci imaju znatno duži životni vijek od beskičmenjaka - istih insekata čije se stanice ne dijele kao odrasli.

Ali u isto vrijeme, obnavljajuća tkiva su podložna hiperproliferaciji, što dovodi do stvaranja tumora, uključujući i maligne. To se događa zbog disregulacije diobe stanica i povećane stope mutageneze u stanicama koje se aktivno dijele. Prema modernim konceptima, da bi ćelija stekla svojstvo malignosti, potrebno joj je 4-6 mutacija. Mutacije se retko dešavaju, a da bi ćelija postala kancerogena - to se računa za ljudske fibroblaste - mora da se desi oko 100 deoba (ovaj broj deoba se obično javlja kod osobe oko 40. godine).

Vrijedi, međutim, podsjetiti da su mutacije različite mutacije, a prema najnovijim genomskim istraživanjima, u svakoj generaciji osoba dobije oko 60 novih mutacija (koje nisu bile u DNK njegovih roditelja). Očigledno je da je većina njih prilično neutralna (pogledajte “Pređeno preko hiljadu: treća faza ljudske genomike”). - Ed.

Kako bi se zaštitio od sebe, u tijelu su se formirali posebni ćelijski mehanizmi supresija tumora. Jedan od njih je replikativno starenje ćelija ( starenje), koji se sastoji u nepovratnom zaustavljanju ćelijske diobe u G1 fazi ćelijskog ciklusa. Sa starenjem, stanica prestaje da se dijeli: ne reagira na faktore rasta i postaje otporna na apoptozu.

Hayflick limit

Fenomen starenja ćelija prvi su otkrili 1961. godine Leonard Hayflick i kolege koristeći kulturu fibroblasta. Pokazalo se da ćelije u kulturi ljudskih fibroblasta, u dobrim uslovima, žive ograničeno vreme i da su sposobne da se udvostruče otprilike 50 ± 10 puta - i taj broj se počeo nazivati Hayflickovom granicom. Prije Hayflickovog otkrića, prevladavalo je mišljenje da su ćelije besmrtne, a starenje i smrt su svojstvo organizma u cjelini.

Ovaj koncept se smatrao nepobitnim uglavnom zbog Carrelovih eksperimenata, koji je održavao kulturu ćelija pilećeg srca 34 godine (odbačena je tek nakon njegove smrti). Međutim, kako se kasnije ispostavilo, besmrtnost Carrelove kulture je bila artefakt, jer su zajedno sa fetalnim serumom, koji je dodan u medijum kulture za rast ćelija, tamo dospele i same embrionalne ćelije (i, najverovatnije, Carrelova kultura je bila više nije ono što je bilo na početku).

Ćelije raka su zaista besmrtne. Tako, HeLa ćelije, izolovane 1951. iz tumora grlića materice Henriette Lacks, i dalje koriste citolozi (posebno, vakcina protiv dečije paralize razvijena je pomoću HeLa ćelija). Ove ćelije su čak bile i u svemiru.

Za fascinantnu priču o besmrtnosti Henriette Lacks, pogledajte članak “The Immortal Cells of Henrietta Lacks”, kao i “The Heirs of HeLa Cells”. - Ed.

Kako se ispostavilo, Hayflickova granica zavisi od starosti: što je osoba starija, manje se puta njene ćelije udvostručuju u kulturi. Zanimljivo je da smrznute ćelije, kada se odmrznu i potom uzgajaju, izgleda da pamte broj podjela prije zamrzavanja. U stvari, unutar ćelije postoji „brojač podjela“ i nakon dostizanja određene granice (Hajflikova granica), ćelija prestaje da se deli i postaje starija. Stare (stare) ćelije imaju specifičnu morfologiju - velike su, spljoštene, sa velikim jezgrima, visoko vakuolizirane, a njihov profil ekspresije gena se mijenja. U većini slučajeva otporni su na apoptozu.

Međutim, starenje tijela ne može se svesti samo na starenje stanica. Ovo je mnogo složeniji proces. U mladom tijelu postoje stare ćelije, ali ih je malo! Kada se s godinama starenje ćelije nakupljaju u tkivima, počinju degenerativni procesi koji dovode do bolesti povezanih sa starenjem. Jedan od faktora ovih bolesti je tzv. senilna "sterilna" upala, koji je povezan s ekspresijom proinflamatornih citokina od strane starih stanica.

Drugi važan faktor biološkog starenja je struktura hromozoma i njihovih vrhova – telomera.

Teorija telomera starenja

Slika 1. Telomeri su krajevi hromozoma. Pošto ljudi imaju 23 para hromozoma (odnosno 46 komada), postoje 92 telomera.

Godine 1971., naš sunarodnik Aleksej Matvejevič Olovnikov sugerirao je da je Hayflickova granica povezana s "nedovoljnom replikacijom" terminalnih dijelova linearnih hromozoma (imaju poseban naziv - telomere). Činjenica je da se u svakom ciklusu ćelijske diobe telomeri skraćuju zbog nemogućnosti DNK polimeraze da sintetizira kopiju DNK sa samog vrha. Osim toga, Olovnikov je predvidio postojanje telomeraza(enzim koji dodaje ponavljajuće sekvence DNK na krajeve hromozoma), na osnovu činjenice da bi u suprotnom u ćelijama koje se aktivno dele DNK brzo „pojela“ i genetski materijal bi bio izgubljen. (Problem je u tome što aktivnost telomeraze blijedi u većini diferenciranih ćelija.)

Telomeri (slika 1) igraju važnu ulogu: stabilizuju krajeve hromozoma, koji bi inače, kako kažu citogenetičari, postali „lepljivi“, tj. podložna raznim hromozomskim aberacijama, što dovodi do degradacije genetskog materijala. Telomere se sastoje od ponovljenih (1000-2000 puta) sekvenci (5′-TTAGGG-3′), dajući ukupno 10-15 hiljada parova nukleotida na svakom hromozomskom vrhu. Na kraju 3′, telomeri imaju prilično dugu jednolančanu DNK regiju (150-200 nukleotida), koja je uključena u formiranje petlje tipa laso (slika 2). Nekoliko proteina je povezano s telomerima, formirajući zaštitnu "kapu" - ovaj kompleks se zove sklonište(Sl. 3). Shelterin štiti telomere od djelovanja nukleaza i adhezije i, po svemu sudeći, upravo on čuva integritet kromosoma.

Slika 2. Sastav i struktura telomera. Ponovljena dioba stanica u odsustvu aktivnosti telomeraze dovodi do skraćivanja telomera i replikativno starenje.

Slika 3. Struktura telomernog kompleksa ( shelterina). Telomere se nalaze na krajevima hromozoma i sastoje se od tandemskih TTAGGG ponavljanja koji se završavaju 32-mernim jednolančanim prevjesom. Povezano sa telomernom DNK sklonište- kompleks od šest proteina: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 i POT1.

Nezaštićene krajeve hromozoma ćelija doživljava kao oštećenje genetskog materijala, što aktivira popravku DNK. Telomerni kompleks, zajedno sa shelterinom, "stabilizira" vrhove hromozoma, štiteći cijeli kromosom od uništenja. U ostarjelim stanicama kritično skraćivanje telomera narušava ovu zaštitnu funkciju, te se stoga počinju stvarati kromosomske aberacije koje često dovode do maligniteta. Kako bi se to spriječilo, posebni molekularni mehanizmi blokiraju diobu stanica i stanica prelazi u stanje starenje- nepovratno zaustavljanje ćelijskog ciklusa. U ovom slučaju, ćelija garantovano neće moći da se reprodukuje, što znači da neće moći da formira tumor. U stanicama s oštećenom sposobnošću starenja (koje se razmnožavaju uprkos disfunkciji telomera) nastaju hromozomske aberacije.

Dužina telomera i brzina njihovog skraćivanja zavise od starosti. Kod ljudi, dužina telomera varira od 15 hiljada parova nukleotida (kb) pri rođenju do 5 kb. za hronične bolesti. Dužina telomera je maksimalna u dobi od 18 mjeseci, a zatim se brzo smanjuje na 12 kb. do pete godine. Nakon toga, brzina skraćivanja se smanjuje.

Telomere se skraćuju različitom brzinom kod različitih ljudi. Dakle, na ovu brzinu u velikoj meri utiče stres. E. Blackburn (dobitnik Nobelove nagrade za fiziologiju i medicinu 2009.) otkrio je da žene koje su stalno pod stresom (na primjer, majke kronično bolesne djece) imaju znatno kraće telomere u odnosu na svoje vršnjakinje (za desetak godina!). Laboratorija E. Blackburna razvila je komercijalni test za određivanje “biološke starosti” ljudi na osnovu dužine telomera.

Zanimljivo je da miševi imaju veoma dugačke telomere (50-40 kb, u poređenju sa 10-15 kb kod ljudi). Kod nekih sojeva laboratorijskih miševa, dužina telomera doseže 150 kb. Štaviše, kod miševa je telomeraza uvek aktivna, što sprečava skraćivanje telomera. Međutim, kao što svi znaju, to ne čini miševe besmrtnim. Ne samo to, već razvijaju tumore mnogo većom stopom od ljudi, što sugerira da skraćivanje telomera kao odbrambeni mehanizam tumora ne funkcionira kod miševa.

Upoređujući dužinu telomera i aktivnost telomeraze kod različitih sisara, pokazalo se da vrste koje karakterizira replikativno starenje stanica imaju duži životni vijek i veću težinu. To su, na primjer, kitovi, čiji životni vijek može doseći 200 godina. Za takve organizme, replikativno starenje je jednostavno neophodno, jer previše podjela stvara mnoge mutacije protiv kojih se mora nekako boriti. Pretpostavlja se da je replikativno starenje takav mehanizam borbe, koji je takođe praćen potiskivanjem telomeraze.

Starenje diferenciranih ćelija odvija se različito. I neuroni i kardiomiociti stare, ali se ne dijele! Na primjer, u njima se nakuplja lipofuscin, senilni pigment koji remeti funkcioniranje stanica i pokreće apoptozu. Masnoća se nakuplja u ćelijama jetre i slezene kako starimo.

Veza između replikativnog starenja ćelija i starenja organizma, striktno govoreći, nije dokazana, ali starosna patologija je takođe praćena starenjem ćelija (Sl. 4). Maligne neoplazme starijih osoba uglavnom su povezane s obnovljenim tkivima. Rak u razvijenim zemljama jedan je od glavnih uzroka morbiditeta i mortaliteta, a nezavisan faktor rizika za rak je jednostavno... starost. Broj umrlih od tumorskih bolesti eksponencijalno raste s godinama, kao i ukupna smrtnost. Ovo nam govori da postoji fundamentalna veza između starenja i karcinogeneze.

Slika 4. Ljudski fibroblasti linije WI-38 histohemijski obojeni na prisustvo aktivnosti β-galaktozidaze. A - mladi; B - stari (stariji).

Telomeraza je enzim koji je predviđen

Mora postojati mehanizam u tijelu koji kompenzira skraćivanje telomera, ovu pretpostavku je iznio A.M. Olovnikov. Zaista, 1984. takav enzim je otkrila Carol Greider i dala mu ime telomeraza. Telomeraza (slika 5) je reverzna transkriptaza koja povećava dužinu telomera, kompenzujući njihovu nedovoljnu replikaciju. 2009. godine E. Blackburn, K. Grader i D. Shostak dobili su Nobelovu nagradu za otkriće ovog enzima i niz radova o proučavanju telomera i telomeraze (vidi: "Nobelova nagrada 'bez starenja': 2009. odaje počast radu na telomerima i telomerazi").

Slika 5. Telomeraza sadrži katalitičku komponentu (TERT reverzna transkriptaza), telomerazu RNK (hTR ili TERC), koja sadrži dvije kopije telomernog ponavljanja i predstavlja šablon za sintezu telomera, i protein diskerin.

Prema E. Blackburnu, telomeraza je uključena u regulaciju aktivnosti oko 70 gena. Telomeraza je aktivna u germinalnim i embrionalnim tkivima, u matičnim i proliferirajućim ćelijama. Nalazi se u 90% tumora raka, što osigurava nekontrolisanu proliferaciju ćelija raka. Trenutno, među lijekovima koji se koriste za liječenje raka, postoji inhibitor telomeraze. Ali u većini somatskih ćelija odraslog organizma telomeraza nije aktivna.

Ćelija se može dovesti u stanje starenja mnogim podražajima - disfunkcija telomera, oštećenje DNK, koje može biti uzrokovano mutagenim utjecajima okoline, endogenim procesima, jakim mitogenim signalima (prekomjerna ekspresija onkogena Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 itd.), poremećaji hromatina, stres, itd. U stvari, ćelije prestaju da se dele – postaju stare – kao odgovor na događaje koji potencijalno izazivaju rak.

Genome Guardian

Disfunkcija telomera, koja se javlja kada su skraćene ili je poremećen shelterin, aktivira protein p53. Ovaj faktor transkripcije dovodi ćeliju u stanje starenja ili uzrokuje apoptozu. U nedostatku p53 razvija se nestabilnost hromozoma, karakteristična za humane karcinome. Mutacije u proteinu p53 nalaze se u 50% adenokarcinoma dojke i u 40-60% kolorektalnih adenokarcinoma. Stoga se p53 često naziva "čuvarom genoma".

Telomeraza se reaktivira u većini tumora epitelnog porijekla koji se javljaju kod starijih osoba. Smatra se da je reaktivacija telomeraze važan korak u malignim procesima jer omogućava ćelijama raka da “prkose” Hayflickovom limitu. Disfunkcija telomera potiče fuzije hromozoma i aberacije, što u nedostatku p53 najčešće dovodi do maligniteta.

O molekularnim mehanizmima starenja ćelija

Slika 6. Dijagram ćelijskog ciklusa.Ćelijski ciklus je podeljen u četiri faze: 1. G1(predsintetički) - period kada se ćelija priprema za replikaciju DNK. U ovoj fazi može doći do zaustavljanja ćelijskog ciklusa ako se otkrije oštećenje DNK (tokom popravke). Ako se otkriju greške u replikaciji DNK i one se ne mogu ispraviti popravkom, ćelija ne ulazi u S fazu. 2.S(sintetički) - kada dođe do replikacije DNK. 3. G2(postsintetički) - priprema ćelije za mitozu, kada se proverava tačnost replikacije DNK; ako se otkriju nedovoljno replicirani fragmenti ili drugi poremećaji u sintezi, ne dolazi do prijelaza u sljedeću fazu (mitoza). 4. M(mitoza) - formiranje ćelijskog vretena, segregacija (divergencija hromozoma) i formiranje dve ćelije kćeri (sama deoba).

Da bismo razumjeli molekularne mehanizme prijelaza stanice u stanje starenja, podsjetit ću vas kako dolazi do diobe ćelije.

Proces reprodukcije ćelija naziva se proliferacija. Vrijeme koje ćelija postoji od diobe do diobe naziva se ćelijski ciklus. Proces proliferacije regulišu i sama ćelija – autokrini faktori rasta – i njeno mikrookruženje – parakrini signali.

Aktivacija proliferacije se događa kroz ćelijsku membranu, koja sadrži receptore koji percipiraju mitogene signale - to su uglavnom faktori rasta i međućelijski kontaktni signali. Faktori rasta su obično peptidne prirode (do danas ih je poznato oko 100). To su, na primjer, faktor rasta trombocita koji učestvuje u formiranju tromba i zacjeljivanju rana, faktor rasta epitela, razni citokini - interleukini, faktor nekroze tumora, faktori stimulacije kolonija itd. Nakon aktivacije proliferacije, ćelija izlazi iz G0 faze mirovanja i započinje ćelijski ciklus (slika 6).

Ćelijski ciklus je reguliran ciklin zavisnim kinazama, različitim za svaku fazu ćelijskog ciklusa. Aktiviraju ih ciklini i inaktiviraju brojni inhibitori. Svrha ovakve složene regulacije je da se osigura sinteza DNK sa što manje grešaka, tako da ćelije kćeri imaju apsolutno identičan nasljedni materijal. Provjera ispravnosti kopiranja DNK provodi se na četiri „kontrolne točke“ ciklusa: ako se otkriju greške, ćelijski ciklus se zaustavlja i aktivira se popravak DNK. Ako se oštećenje strukture DNK može ispraviti, ćelijski ciklus se nastavlja. Ako ne, bolje je za ćeliju da "počini samoubistvo" (apoptozom) kako bi izbjegla mogućnost da postane kancerogena.

Molekularne mehanizme koji dovode do ireverzibilnog zaustavljanja ćelijskog ciklusa kontrolišu geni supresori tumora, uključujući p53 i pRB, koji su povezani sa inhibitorima kinaze zavisnih od ciklina. Supresiju ćelijskog ciklusa u G1 fazi vrši protein p53, koji djeluje preko inhibitora ciklin zavisne kinaze p21. Transkripcijski faktor p53 aktivira se oštećenjem DNK, a njegova funkcija je da iz skupa replicirajućih ćelija ukloni one koje su potencijalno onkogene (otuda i nadimak p53 - „čuvar genoma“). Ovu ideju podržava činjenica da se mutacije p53 nalaze u ~50% malignih tumora. Druga manifestacija aktivnosti p53 povezana je s apoptozom najoštećenijih stanica.

Starenje ćelija i bolesti povezane sa starenjem

Slika 7. Veza između starenja ćelija i starenja tela.

Stareće ćelije se akumuliraju sa godinama i doprinose bolestima povezanim sa starenjem. Smanjuju proliferativni potencijal tkiva i iscrpljuju bazen matičnih stanica, što dovodi do degenerativnih poremećaja tkiva i smanjuje sposobnost regeneracije i obnavljanja.

Stareće ćelije karakteriše specifična ekspresija gena: luče inflamatorne citokine i metaloproteinaze koje uništavaju međućelijski matriks. Ispostavilo se da stare ćelije obezbeđuju tromu senilnu upalu, a nakupljanje starih fibroblasta u koži uzrokuje smanjenje sposobnosti zarastanja rana u zavisnosti od starosti (slika 7). Stare ćelije takođe stimulišu proliferaciju i malignitet obližnjih prekanceroznih ćelija putem lučenja epitelnog faktora rasta.

Stareće ćelije se akumuliraju u mnogim ljudskim tkivima i prisutne su u aterosklerotskim plakovima, kožnim ulkusima, artritisnim zglobovima, te u benignim i preneoplastičnim hiperproliferativnim lezijama prostate i jetre. Kada su kancerogeni tumori zračeni, neke ćelije također ulaze u stanje starenja, čime se osiguravaju recidivi bolesti.

Dakle, ćelijsko starenje pokazuje učinak negativne pleiotropije, čija je suština da ono što je dobro za mladi organizam može postati loše za stari. Najupečatljiviji primjer su procesi upale. Izražena upalna reakcija doprinosi brzom oporavku mladog tijela od zaraznih bolesti. U starijoj dobi aktivni upalni procesi dovode do bolesti povezanih sa starenjem. Danas je općeprihvaćeno da upala igra odlučujuću ulogu u gotovo svim bolestima vezanim za starenje, počevši od neurodegenerativnih.