Tanda-tanda morfologi penuaan sel. Penuaan seluler (in vitro)

Saat ini, ilmu yang disebut sitogenontologi mempelajari reproduksi dan penuaan sel. Para ilmuwan telah mampu membuktikan bahwa tidak hanya ada proses sederhana penuaan sel secara alami yang diikuti dengan kematian sel, tetapi juga dapat diprogram pada tingkat genetik.

Proses ini juga disebut “apoptosis”, seperti dijelaskan di atas. Program ini ditetapkan pada tingkat genetik setiap orang dan tujuan utamanya adalah membersihkan tubuh dari kelebihan materi seluler yang tidak lagi diperlukan.

Hingga saat ini, para ilmuwan telah mampu sekaligus memaparkan beberapa teori tentang bagaimana sebenarnya proses penuaan sel-sel dalam tubuh bisa terjadi.

Saat ini, para ilmuwan cukup aktif melakukan berbagai penelitian, di mana mereka mempelajari proses penuaan sel-sel jaringan ikat tubuh manusia. Sel-sel ini terdapat di seluruh tubuh, dan berperan langsung dan cukup aktif dalam hampir semua proses metabolisme tubuh yang penting bagi kehidupan manusia.

Ada sekelompok ilmuwan yang hampir seratus persen yakin bahwa sel jaringan ikat atau fibroblas secara harfiah “memaksa” semua sistem lain, serta sel-sel tubuh manusia, untuk menua. Artinya, penuaan simultan seluruh organisme terjadi sekaligus.

Berkat penelitian yang sedang berlangsung, para ilmuwan dapat menentukan bahwa mutasi juga memainkan peran tertentu dalam proses penuaan sel-sel tubuh. Memang, seperti diketahui, mitokondria secara bertahap terakumulasi dalam DNA, muncul justru sebagai akibat dari mutasi tertentu.

Dalam proses penghancuran sel, protein spesifik seperti protein p53 juga berperan penting. Misalnya, jika karena keadaan tertentu sel tumor muncul di tubuh manusia, apoptosis langsung diaktifkan, yaitu proses penghancuran alaminya.

Dimungkinkan juga untuk menentukan secara pasti peran apa yang dimainkan proses ini dalam penuaan sel, namun hingga saat ini para ilmuwan belum dapat sepenuhnya menetapkan teori ini, jadi teori ini murni bersifat teoritis. Berbagai penelitian dilakukan pada otot, dan setiap kali para ilmuwan mendapatkan hasil yang sangat bertentangan.

Ada faktor penting lain yang berdampak langsung pada proses penuaan sel-sel tubuh manusia - degradasi sel limfosit, yang terjadi secara bertahap. Penelitian dilakukan pada primata, dan hasilnya menunjukkan bahwa jika makanan sehari-hari mengandung jumlah kalori yang minimal, maka penuaan sel kekebalan secara alami akan melambat.

Pada saat yang sama, zat yang merupakan bagian dari darah dan memanifestasikan dirinya pada awal peradangan juga dapat memperlambat proses penuaan - ini adalah protein C reaktif yang unik. Infeksi oncovirus yang berbahaya dapat mengakibatkan timbulnya proses pelemahan alami sistem kekebalan tubuh secara cepat; oleh karena itu, sistem pertahanan tubuh mulai terganggu.

Masa muda sel, serta seluruh tubuh manusia, berhubungan langsung dengan zat khusus seperti telomerase. Zat ini merupakan salah satu enzim khusus yang memiliki kemampuan untuk menambahkan bagian unik dari molekul DNA yang dapat diulang. Sebagai hasil dari proses ini, sel dapat memperoleh ciri seperti reproduksi tanpa akhir, setelah itu mereka tidak akan mati, tetapi akan terus membelah.

Misalnya, aktivitas yang cukup tinggi dari zat unik ini (telomerase) diamati dalam sel embrio. Akibat punahnya enzim ini secara bertahap maka penuaan sel akan terjadi.

Dua atau tiga tahun terakhir benar-benar merupakan tahun terobosan bagi gerontologi. Pertama, para ilmuwan menemukan cara untuk memperpanjang umur ragi, cacing dan bahkan tikus melalui puasa, kemudian mereka menemukan beberapa gen yang dapat memperpanjang umur aktif. Bahkan dimungkinkan untuk menemukan hubungan antara perkembangan sistem reproduksi, jaringan adiposa dan harapan hidup.

Namun pendekatan terhadap dasar molekuler dan seluler dari penuaan tidak berubah selama beberapa dekade: akumulasi mutasi yang pasti muncul selama pembelahan, penghancuran protein secara bertahap dan penipisan sistem “cadangan”.

Martin Hetzer dari Salk Institute for Biological Research dan rekan-rekannya mampu menyempurnakan pemahaman ini secara signifikan:

Di balik kata-kata umum tentang keausan, setidaknya terdapat gangguan pada fungsi pori-pori inti, yang menjamin pertukaran isi secara selektif antara inti dan sel.

Meskipun dimensi mikroskopisnya - dari lima hingga ratusan mikrometer, sel itu sendiri mencakup beberapa lusin organel lagi, yang utama di antaranya adalah nukleus, yang memastikan pengaturan semua proses intraseluler dan bahkan ekstraseluler. Di dalam nukleus, yang dapat menempati hingga 80% volume (dalam sperma), terdapat hal yang paling berharga - informasi genetik yang dienkripsi dalam urutan DNA.

Jika bukan karena membran inti, jumlah mutasi dan kegagalan dalam membaca kode tidak akan memungkinkan sel untuk hidup. Meskipun terdapat membran ganda yang mengelilingi kromosom,

Peralatan genetik tidak berdiri sendiri: berbagai jenis RNA terus-menerus meninggalkan nukleus, mengatur sintesis protein, sementara sinyal yang mengaktifkan faktor transkripsi menembus ke dalam.

Seperti halnya dengan penghalang “lebih besar” yang beroperasi pada tingkat seluruh organisme, penghalang nuklir juga memiliki permeabilitas selektif: misalnya, molekul yang larut dalam lemak, baik itu hormon steroid atau obat-obatan tertentu, dengan mudah menembus membran itu sendiri, yang mana lebih seperti lapisan minyak tipis dengan diselingi.

Tapi asam nukleat, protein dan senyawa hidrofilik lainnya ditakdirkan untuk melewati saluran khusus - pori-pori nuklir. Terlepas dari beragamnya molekul yang melewatinya, pori-pori itu sendiri memiliki struktur yang cukup konservatif pada sebagian besar organisme dan terdiri dari saluran internal dan bagian luar yang simetris, mirip dengan molekul protein yang terletak di puncak segi delapan.

Seperti yang ditunjukkan oleh Hetzer dan rekan penulis publikasi di Cell, seiring waktu, pori-pori ini mulai "bocor", yang menyebabkan konsekuensi yang lebih "nyata" - pengendapan plak amiloid di sepanjang pembuluh darah otak, kerusakan tulang rawan di persendian, dan “penurunan” jantung.

Dengan menggunakan contoh sel otot, dan kemudian seluruh tubuh nematoda C. elegans, para ilmuwan menunjukkan bahwa bagian perifer saluran inti diperbarui secara teratur, sedangkan bagian tengah dibangun kembali hanya selama pembelahan sel, di mana membran inti adalah mula-mula hancur lalu dibentuk kembali. Oleh karena itu, pori-pori inti secara bertahap “aus”, tetapi, tidak seperti sistem intraseluler lainnya, pori-pori tersebut tidak diperbarui, yang menyebabkan “bocor”. Akibatnya, tidak hanya mutagen yang masuk ke dalam nukleus, tetapi juga molekul lain yang mengganggu fungsi peralatan genetik.

Jika kita berbicara tentang pembaruan sel-sel kulit atau epitel usus secara terus-menerus, maka masalah seperti itu tidak muncul, tetapi bagaimana dengan sel-sel saraf atau otot yang praktis tidak membelah sepanjang hidup? Tidak mengherankan bahwa metabolisme mereka tidak hanya terikat pada “sinyal” dari nukleus, tetapi juga pada serangkaian reaksi yang tidak memerlukan intervensi cepat dari perangkat genetik.

Penemuan Hetzer tidak menjadi hipotesis “swasembada” lainnya dalam teori penuaan. Para ilmuwan telah menunjukkan bagaimana spesies oksigen reaktif, yang telah lama menjadi musuh utama para ahli gerontologi, dapat mempercepat kerusakan pori-pori inti, dan juga penuaan seluruh sel. Kita hanya bisa berharap bahwa sistem yang dapat mengkompensasi “kebocoran” ini masih ada, dan jika sistem tersebut dapat ditemukan, ini akan menjadi tonggak baru dalam studi umur panjang aktif.

Meskipun bersifat universal, proses penuaan sulit untuk didefinisikan dengan jelas. Seiring bertambahnya usia, perubahan fisiologis dan struktural terjadi pada hampir semua sistem organ. Ketika penuaan, faktor genetik dan sosial, pola nutrisi, serta penyakit terkait usia - aterosklerosis, diabetes, osteoartritis - menjadi sangat penting. Kerusakan sel yang berkaitan dengan usia juga merupakan komponen penting dari penuaan tubuh.

Seiring bertambahnya usia, sejumlah fungsi seluler semakin terganggu. Aktivitas fosforilasi oksidatif di mitokondria, sintesis enzim dan reseptor sel menurun. Sel-sel yang menua mengalami penurunan kemampuan dalam menyerap nutrisi dan memperbaiki kerusakan kromosom. Perubahan morfologi pada sel yang menua meliputi inti yang tidak beraturan dan berlobulasi, mitokondria bervakuolasi polimorfik, penurunan retikulum endoplasma, dan deformasi kompleks pipih. Pada saat yang sama, pigmen lipofuscin terakumulasi.

Penuaan sel adalah proses multifaktorial. Ini mencakup program molekuler endogen dari penuaan sel serta pengaruh eksogen yang menyebabkan gangguan progresif pada proses kelangsungan hidup sel.

Fenomena penuaan sel sedang dipelajari secara intensif dalam percobaan in vitro. Telah terbukti bahwa dalam sel yang menua, gen yang spesifik untuk penuaan diaktifkan, gen yang mengatur pertumbuhan rusak, penghambat pertumbuhan dirangsang, dan mekanisme genetik lainnya juga diaktifkan.

Diasumsikan bahwa cacat gen mungkin disebabkan oleh pemendekan kromosom telomer. Telomer berperan penting dalam menstabilkan bagian terminal kromosom dan menempelkannya ke matriks inti. Misalnya, panjang telomer berkurang pada tahap terakhir kultur sel dan kultur sel orang lanjut usia. Hubungan telah ditemukan antara panjang telomer dan aktivitas telomerase.

Kerusakan sel yang didapat selama penuaan terjadi di bawah pengaruh radikal bebas. Penyebab kerusakan ini mungkin karena paparan radiasi pengion atau penurunan progresif aktivitas mekanisme pertahanan antioksidan, seperti vitamin E, glutathione peroksidase. Kerusakan sel akibat radikal bebas disertai dengan akumulasi lipofuscin, namun pigmen itu sendiri tidak beracun bagi sel. Selain itu, SPOL dan radikal bebas menyebabkan kerusakan asam nukleat baik di nukleus maupun mitokondria. Mutasi dan penghancuran DNA mitokondria menjadi dramatis seiring bertambahnya usia. Radikal oksigen bebas juga mengkatalisis pembentukan modifikasi protein, termasuk enzim, menjadikannya sensitif terhadap efek merusak dari protease netral dan basa yang terkandung dalam sitosol, yang selanjutnya menyebabkan terganggunya fungsi sel.

Perubahan pasca translasi pada protein intraseluler dan ekstraseluler juga terjadi seiring bertambahnya usia. Salah satu jenis perubahan tersebut adalah glikosilasi protein non-enzimatik. Misalnya, glikosilasi protein lensa terkait usia mendasari katarak pikun.

Terakhir, terdapat bukti gangguan pembentukan protein stres in vitro pada hewan percobaan selama penuaan. Pembentukan protein stres merupakan mekanisme perlindungan terpenting terhadap berbagai stres.

Penuaan sel adalah proses multifaktorial dan telah menjadi perhatian para ilmuwan sejak dahulu kala. Proses ini melibatkan program molekuler endogen dari penuaan sel serta pengaruh eksogen yang menyebabkan gangguan progresif pada proses kelangsungan hidup sel.

Seiring bertambahnya usia, sejumlah fungsi seluler semakin terganggu. Sel-sel yang menua mengalami penurunan kemampuan dalam menyerap nutrisi dan memperbaiki kerusakan kromosom. Perubahan morfologi sel yang menua, dimana aktivitas fosforilasi oksidatif di mitokondria dan vakuolisasinya menurun, retikulum endoplasma menurun, dan aktivitas sintesis enzim dan reseptor sel menurun. Transformasi apa yang terjadi pada inti sel selama proses penuaan.

INTI SEL adalah tempat penyimpanan dan implementasi materi genetik - rencana pembangunan dan pengaturan proses sintesis protein di dalam sel.

UTAMA KOMPONEN KERNEL ADALAH:

membran nuklir;
kromatin;
nukleolus;
matriks nuklir.

Inti selalu terlokalisasi di tempat tertentu di dalam sel. Fungsi utama yang dilakukan oleh inti sel adalah penyimpanan, penggunaan dan transmisi informasi genetik. Selain itu, nukleus bertanggung jawab atas pembentukan subunit ribosom.

Inti sel dapat berada dalam dua keadaan: mitosis (selama pembelahan) dan interfase (antar pembelahan). Selama interfase, di bawah mikroskop, hanya nukleolus yang terlihat dalam inti sel hidup, dan secara optik tampak kosong. Struktur inti yang berupa benang dan butiran hanya dapat diamati ketika sel terkena faktor-faktor yang merusak, ketika ia memasuki keadaan batas antara hidup dan mati. Dari keadaan ini, sel dapat kembali hidup normal atau mati.

MEMBRAN NUKLIR - fungsi utamanya adalah penghalang. Ini bertanggung jawab untuk memisahkan isi nukleus dari sitoplasma, membatasi transportasi bebas makromolekul antara nukleus dan sitoplasma, serta menciptakan tatanan intranuklear - memperbaiki bahan kromosom. Selubung inti terdiri dari membran inti luar dan dalam.

Membran luar selubung inti, yang bersentuhan langsung dengan sitoplasma sel, memiliki sejumlah ciri struktural yang memungkinkannya diklasifikasikan sebagai bagian dari sistem membran retikulum endoplasma itu sendiri. Pertama-tama, ciri-ciri tersebut termasuk adanya banyak poliribosom di sisi hialoplasma, dan membran inti luar itu sendiri dapat langsung berubah menjadi membran retikulum endoplasma granular.

Membran inti bagian dalam berhubungan dengan bahan kromosom inti. Di sisi karioplasma, apa yang disebut lapisan fibrilar, terdiri dari fibril, berbatasan dengan membran inti bagian dalam, tetapi ini bukan karakteristik semua sel.

Selubung nuklir tidak kontinu. Ini berisi pori-pori inti, yang terbentuk sebagai hasil peleburan dua membran inti. Dalam hal ini, lubang bulat terbentuk. Lubang-lubang pada selubung inti ini diisi dengan struktur globular dan fibrilar yang kompleks. Jumlah pori-pori inti bergantung pada aktivitas metabolisme sel: semakin intens proses sintetik di dalam sel, semakin banyak pori-pori per satuan permukaan inti sel.

KROMATIN(dari bahasa Yunani chrome - warna, cat) adalah struktur utama inti interfase. Secara kimiawi, ini adalah kompleks protein dan DNA dengan berbagai tingkat helisitas (puntiran). DNA adalah rangkaian nukleotida, individual dan unik untuk setiap orang. Merupakan sandi atau kode unik yang menentukan ciri-ciri struktur, fungsi dan perkembangan (penuaan) tubuh. Artinya, ciri-ciri penuaan bersifat bawaan.

Secara morfologi, ada dua jenis kromatin: heterokromatin dan eukromatin. Heterokromatin sesuai dengan daerah kromosom yang sebagian terkondensasi dalam interfase dan secara fungsional tidak aktif. Eukromatin- ini adalah bagian kromosom yang terdekondensasi dalam interfase, kromatin yang aktif secara fungsional.

Selama mitosis, semua eukromatin terkondensasi secara maksimal dan menjadi bagian dari kromosom. Selama periode ini, kromosom tidak melakukan fungsi sintetik apa pun. Kadang-kadang, dalam beberapa kasus, seluruh kromosom mungkin tetap dalam keadaan terkondensasi selama interfase, dan tampak seperti heterokromatin halus. Misalnya, salah satu kromosom X sel somatik tubuh wanita mengalami heterokromatisasi pada tahap awal embriogenesis (selama fragmentasi) dan tidak berfungsi. Kromatin ini disebut kromatin seks atau badan Barr.

Protein kromatin membentuk 60-70% massa keringnya dan diwakili oleh dua kelompok:

protein histon;
protein non-histon.

Protein histon(histones) adalah protein basa yang mengandung asam amino basa (terutama lisin, arginin). Mereka tersusun tidak merata dalam bentuk blok-blok sepanjang molekul DNA. Satu blok mengandung 8 molekul histon yang membentuk nukleosom. Nukleosom dibentuk oleh pemadatan dan superkoil DNA.

Protein non-histon membentuk 20% dari jumlah histon dan dalam inti interfase membentuk jaringan struktural di dalam inti, yang disebut matriks protein inti. Matriks ini mewakili perancah yang menentukan morfologi dan metabolisme nukleus.

Nukleolus- struktur nukleus yang paling padat, merupakan turunan dari kromosom, salah satu lokusnya dengan konsentrasi tertinggi dan sintesis RNA aktif dalam interfase, tetapi bukan merupakan struktur atau organel yang independen.

Nukleolus memiliki struktur heterogen dan terdiri dari dua komponen utama - granular dan fibrilar. Komponen granular diwakili oleh butiran (subunit ribosom yang matang) dan terlokalisasi di sepanjang pinggiran. Komponen fibrilar adalah untaian ribonukleoprotein prekursor ribosom, yang terkonsentrasi di bagian tengah nukleolus.

Ultrastruktur nukleolus bergantung pada aktivitas sintesis RNA: pada tingkat sintesis yang tinggi, sejumlah besar butiran terdeteksi di nukleolus; ketika sintesis berhenti, jumlah butiran berkurang, dan nukleolus berubah menjadi untaian fibrilar padat basofilik alam.

MATRIKS NUKLIR (karioplasma) adalah bagian cair dari inti yang mengisi ruang antara kromatin dan nukleolus.

Karyoplasma terutama terdiri dari protein, metabolit, dan ion. Bagian dari matriks inti adalah lamina berserat selubung inti. Kerangka nuklir mungkin berkontribusi pada pembentukan tulang punggung protein tempat melekatnya loop DNA.

PENUAAN FISIOLOGIS SEL adalah keadaan terhentinya pertumbuhan secara ireversibel. Dasar dari penuaan tubuh adalah penuaan sel. Hal ini selanjutnya disebabkan oleh reorganisasi genom yang terjadi akibat pemendekan telomer dan kerusakan pada sistem perbaikan DNA.

Telah terbukti bahwa dalam sel yang menua, gen tertentu diaktifkan, pengatur rusak dan penghambat pertumbuhan distimulasi, dan mekanisme genetik lainnya juga diaktifkan. Para ilmuwan berpendapat bahwa cacat gen mungkin disebabkan oleh pemendekan telomer pada kromosom.

Telomer berperan penting dalam menstabilkan bagian terminal kromosom dan menempelkannya ke matriks inti. Panjang telomer berkurang pada sel orang pikun. Hubungan telah ditemukan antara panjang telomer dan aktivitas telomerase, sebagai akibatnya panjang daerah telomer kromosom sel bertambah atau tetap pada tingkat yang konstan.

Sel yang menua tidak terlihat seperti sel muda, hal ini diwujudkan dalam akumulasi fragmen DNA berlebih dan protein seluler yang salah, serta munculnya struktur abnormal pada nukleolus (sekumpulan protein dan asam nukleat yang terletak di dalam inti sel) . Selain itu, sel-sel ini mengalami penuaan replikasi, yaitu mampu membelah beberapa kali (sekitar 50).

Para ilmuwan juga menemukan hal itu di Dalam beberapa kasus, dimungkinkan untuk mengatur ulang penghitung. Pada saat yang sama, dimungkinkan untuk mengetahui bagaimana gen khusus NDT80 diaktifkan. Untuk memverifikasi peran gen ini, para peneliti mengaktifkannya di sel tua dan tidak bereproduksi. Dimasukkannya NDT80 membawa efek ganda - sel hidup dua kali lebih lama dari biasanya, dan cacat nukleolus terkait usia diperbaiki. Hal ini menunjukkan bahwa kelainan nukleolus memegang salah satu kunci penuaan sel (kunci kedua, telomer, telah dipelajari dengan lebih baik). Sayangnya, belum jelas bagaimana mekanisme pengaturan ulang jam seluler tersebut. Hanya diketahui bahwa protein yang dikodekan oleh gen NDT80 merupakan faktor transkripsi, yaitu berfungsi sebagai pemicu - mengaktifkan gen lain di dalam sel.

Pengikut teori penuaan radikal bebas percaya bahwa kerusakan sel yang didapat selama penuaan terjadi di bawah pengaruh radikal bebas. Penyebab kerusakan ini mungkin karena paparan radiasi pengion atau penurunan progresif aktivitas mekanisme pertahanan antioksidan, seperti vitamin E. Selain itu, radikal bebas menyebabkan kerusakan asam nukleat baik di nukleus maupun mitokondria. Mutasi dan penghancuran DNA mitokondria menjadi “dramatis” seiring bertambahnya usia. Radikal oksigen bebas juga mengkatalisis pembentukan modifikasi protein, termasuk enzim, menjadikannya sensitif terhadap efek merusak dari protease netral dan basa yang terkandung dalam sitosol, yang selanjutnya menyebabkan terganggunya fungsi sel.

Dengan demikian, proses penuaan sel bermacam-macam. Hal ini dipicu oleh berbagai faktor dan melewati jalur sinyal yang berbeda. Proses penuaan berbeda pada sel yang berbeda, terjadi pada titik waktu yang berbeda, namun bagaimanapun juga menyebabkan disfungsi dan kematian sel. Diskusi tentang penyebab penuaan sel dan pengaruhnya terhadap penuaan tubuh secara keseluruhan belum tercapai, dan para ilmuwan belum menemukan jawaban atas berbagai pertanyaan yang penting untuk pengembangan cara memerangi penuaan.

KOSMETIK SELULER CELLCOSMET & CELLMEN (Swiss)
KOSMETIK “BIOKOSMETIK DOKTER SPIELLER” ( DR.SPILLER)
SUNTIK KECANTIKAN

Artikel untuk kompetisi “bio/mol/teks”: Lebih dari 50 tahun telah berlalu sejak fenomena penuaan sel terbukti pada kultur fibroblas, namun keberadaan sel-sel tua dalam organisme sudah lama dipertanyakan. Tidak ada bukti bahwa penuaan sel individu memainkan peran penting dalam penuaan segala sesuatu tubuh. Dalam beberapa tahun terakhir, mekanisme molekuler dari penuaan sel dan hubungannya dengan kanker dan peradangan telah ditemukan. Menurut konsep modern, peradangan memainkan peran utama dalam asal usul hampir semua penyakit yang berkaitan dengan usia, yang pada akhirnya menyebabkan kematian pada tubuh. Ternyata sel-sel tua, di satu sisi, bertindak sebagai penekan tumor (karena sel-sel tersebut berhenti membelah diri secara permanen dan mengurangi risiko transformasi sel-sel di sekitarnya), dan di sisi lain, metabolisme spesifik sel-sel tua dapat menyebabkan peradangan dan degenerasi sel prakanker di sekitarnya menjadi sel ganas. Uji klinis terhadap obat-obatan yang secara selektif menghilangkan sel-sel tua pada organ dan jaringan saat ini sedang dilakukan, sehingga mencegah perubahan degeneratif pada organ dan kanker.

Ada sekitar 300 jenis sel dalam tubuh manusia, dan semuanya terbagi menjadi dua kelompok besar: beberapa dapat membelah dan berkembang biak (yaitu, mereka kompeten secara mitosis), dan lain-lain - pascamitotik- tidak membelah: ini adalah neuron yang telah mencapai tahap diferensiasi ekstrim, kardiomiosit, leukosit granular dan lain-lain.

Di dalam tubuh kita terdapat jaringan yang memperbaharui, di dalamnya terdapat kumpulan sel yang terus membelah untuk menggantikan sel yang rusak atau mati. Sel-sel tersebut ditemukan di kripta usus, di lapisan basal epitel kulit, dan di sumsum tulang (sel hematopoietik). Pembaruan sel dapat terjadi cukup intensif: misalnya sel jaringan ikat di pankreas diganti setiap 24 jam, sel mukosa lambung - setiap tiga hari, leukosit - setiap 10 hari, sel kulit - setiap enam minggu, kurang lebih 70 g berkembang biak. sel-sel usus kecil dikeluarkan dari tubuh setiap hari.

Sel induk, yang terdapat di hampir semua organ dan jaringan, mampu membelah tanpa batas. Regenerasi jaringan terjadi karena berkembang biaknya sel induk yang tidak hanya dapat membelah, tetapi juga berdiferensiasi menjadi sel-sel jaringan yang terjadi regenerasi. Sel induk ditemukan di miokardium, di otak (di hipokampus dan bulbus olfaktorius) dan di jaringan lain. Hal ini memberikan harapan besar untuk pengobatan penyakit neurodegeneratif dan infark miokard.

Memperbarui jaringan secara terus-menerus membantu meningkatkan harapan hidup. Ketika sel membelah, terjadi peremajaan jaringan: sel-sel baru menggantikan sel-sel yang rusak, sedangkan perbaikan (penghilangan kerusakan DNA) terjadi lebih intensif dan regenerasi dimungkinkan jika terjadi kerusakan jaringan. Tidak mengherankan bahwa vertebrata memiliki umur yang jauh lebih lama dibandingkan invertebrata - serangga yang selnya tidak membelah saat dewasa.

Tetapi pada saat yang sama, pembaruan jaringan mengalami hiperproliferasi, yang mengarah pada pembentukan tumor, termasuk tumor ganas. Hal ini terjadi karena disregulasi pembelahan sel dan peningkatan laju mutagenesis pada sel yang aktif membelah. Menurut konsep modern, agar sebuah sel dapat menjadi ganas, diperlukan 4-6 mutasi. Mutasi jarang terjadi, dan agar sel menjadi kanker - ini dihitung untuk fibroblas manusia - harus terjadi sekitar 100 pembelahan (jumlah pembelahan ini biasanya terjadi pada seseorang yang berusia sekitar 40 tahun).

Namun perlu diingat bahwa mutasi adalah mutasi yang berbeda, dan menurut penelitian genom terbaru, dalam setiap generasi seseorang memperoleh sekitar 60 mutasi baru (yang tidak ada dalam DNA orang tuanya). Jelas sekali, sebagian besar dari mereka cukup netral (lihat “Melewati lebih dari seribu: fase ketiga genomik manusia”). - Ed.

Untuk melindungi dirinya sendiri, mekanisme seluler khusus telah terbentuk di dalam tubuh penekanan tumor. Salah satunya adalah penuaan sel replikasi ( penuaan), yang terdiri dari penghentian pembelahan sel yang ireversibel pada tahap G1 dari siklus sel. Seiring bertambahnya usia, sel berhenti membelah: sel tidak merespons faktor pertumbuhan dan menjadi resisten terhadap apoptosis.

Batasan Hayflick

Fenomena penuaan sel pertama kali ditemukan pada tahun 1961 oleh Leonard Hayflick dan rekannya menggunakan kultur fibroblas. Ternyata sel-sel dalam kultur fibroblas manusia, dalam kondisi baik, hidup dalam waktu terbatas dan mampu berlipat ganda sekitar 50 ± 10 kali lipat - dan angka ini mulai disebut batas Hayflick. Sebelum penemuan Hayflick, pandangan umum adalah bahwa sel bersifat abadi, dan penuaan serta kematian adalah ciri organisme secara keseluruhan.

Konsep ini dianggap tak terbantahkan sebagian besar karena eksperimen Carrel, yang memelihara kultur sel jantung ayam selama 34 tahun (baru dibuang setelah kematiannya). Namun, ternyata kemudian, keabadian kultur Carrel adalah sebuah artefak, karena bersama dengan serum janin, yang ditambahkan ke media kultur untuk pertumbuhan sel, sel-sel embrionik itu sendiri juga sampai di sana (dan, kemungkinan besar, kultur Carrel adalah tidak lagi seperti semula).

Sel kanker benar-benar abadi. Jadi, sel HeLa, yang diisolasi pada tahun 1951 dari tumor serviks Henrietta Lacks, masih digunakan oleh ahli sitologi (khususnya, vaksin polio dikembangkan menggunakan sel HeLa). Sel-sel ini bahkan pernah ke luar angkasa.

Untuk kisah menarik tentang keabadian Henrietta Lacks, lihat artikel “Sel Abadi Henrietta Lacks”, serta “Pewaris Sel HeLa”. - Ed.

Ternyata, batas Hayflick bergantung pada usia: semakin tua seseorang, semakin sedikit selnya yang berlipat ganda dalam kultur. Menariknya, sel-sel beku, ketika dicairkan dan kemudian dikultur, tampaknya mengingat jumlah pembelahan sebelum dibekukan. Faktanya, ada “penghitung pembagian” di dalam sel, dan setelah mencapai batas tertentu (batas Hayflick), sel berhenti membelah dan menjadi tua. Sel-sel tua (tua) memiliki morfologi yang spesifik - berukuran besar, pipih, dengan inti besar, bervakuolasi tinggi, dan profil ekspresi gennya berubah. Dalam kebanyakan kasus, mereka resisten terhadap apoptosis.

Namun, penuaan tubuh tidak bisa direduksi hanya menjadi penuaan sel saja. Ini adalah proses yang jauh lebih kompleks. Ada sel-sel tua di tubuh muda, tetapi jumlahnya sedikit! Ketika sel-sel tua menumpuk di jaringan seiring bertambahnya usia, proses degeneratif dimulai, yang menyebabkan penyakit terkait usia. Salah satu faktor terjadinya penyakit tersebut adalah yang disebut pikun peradangan "steril"., yang dikaitkan dengan ekspresi sitokin proinflamasi oleh sel-sel tua.

Faktor penting lainnya dalam penuaan biologis adalah struktur kromosom dan ujungnya – telomer.

Teori penuaan telomer

Gambar 1. Telomer adalah ujung kromosom. Karena manusia memiliki 23 pasang kromosom (yaitu 46 buah), maka terdapat 92 telomer.

Pada tahun 1971, rekan senegaranya Alexei Matveevich Olovnikov menyatakan bahwa batas Hayflick dikaitkan dengan "kurangnya replikasi" bagian terminal kromosom linier (mereka memiliki nama khusus - telomer). Faktanya adalah bahwa dalam setiap siklus pembelahan sel, telomer memendek karena ketidakmampuan DNA polimerase untuk mensintesis salinan DNA dari ujung paling atas. Selain itu, Olovnikov meramalkan keberadaannya telomerase(enzim yang menambahkan urutan DNA berulang ke ujung kromosom), berdasarkan fakta bahwa jika tidak, dalam pembelahan sel yang aktif, DNA akan cepat “dimakan” dan materi genetik akan hilang. (Masalahnya adalah aktivitas telomerase memudar di sebagian besar sel yang berdiferensiasi.)

Telomer (Gbr. 1) memainkan peran penting: mereka menstabilkan ujung kromosom, yang jika tidak, seperti yang dikatakan ahli sitogenetika, akan menjadi “lengket”, yaitu. rentan terhadap berbagai kelainan kromosom, yang menyebabkan degradasi materi genetik. Telomer terdiri dari rangkaian berulang (1000–2000 kali) (5′-TTAGGG-3′), menghasilkan total 10–15 ribu pasangan nukleotida di setiap ujung kromosom. Pada ujung 3′, telomer memiliki wilayah DNA untai tunggal yang agak panjang (150-200 nukleotida), yang terlibat dalam pembentukan loop tipe laso (Gbr. 2). Beberapa protein berikatan dengan telomer, membentuk “tutup” pelindung - kompleks ini disebut berlindung(Gbr. 3). Shelterin melindungi telomer dari aksi nuklease dan adhesi dan, tampaknya, justru menjaga integritas kromosom.

Gambar 2. Komposisi dan struktur telomer. Pembelahan sel yang berulang tanpa adanya aktivitas telomerase menyebabkan pemendekan telomer dan penuaan replikatif.

Gambar 3. Struktur kompleks telomer ( shelterina). Telomer ditemukan di ujung kromosom dan terdiri dari pengulangan TTAGGG tandem yang berakhir pada untaian tunggal 32-mer yang menjorok. Terkait dengan DNA telomer berlindung- kompleks enam protein: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 dan POT1.

Ujung kromosom yang tidak terlindungi dianggap oleh sel sebagai kerusakan materi genetik, yang mengaktifkan perbaikan DNA. Kompleks telomer, bersama dengan shelterin, “menstabilkan” ujung kromosom, melindungi seluruh kromosom dari kehancuran. Pada sel-sel tua, pemendekan telomer yang kritis mengganggu fungsi perlindungan ini, dan oleh karena itu penyimpangan kromosom mulai terbentuk, yang sering kali menyebabkan keganasan. Untuk mencegah hal ini terjadi, mekanisme molekuler khusus menghalangi pembelahan sel, dan sel menjadi suatu keadaan penuaan- terhentinya siklus sel secara ireversibel. Dalam hal ini sel dijamin tidak bisa bereproduksi sehingga tidak bisa membentuk tumor. Dalam sel dengan gangguan kemampuan penuaan (yang bereproduksi meskipun ada disfungsi telomer), penyimpangan kromosom terbentuk.

Panjang telomer dan kecepatan pemendekannya bergantung pada usia. Pada manusia, panjang telomer bervariasi dari 15 ribu pasangan nukleotida (kb) saat lahir hingga 5 kb. untuk penyakit kronis. Panjang telomer maksimum pada usia 18 bulan dan kemudian menurun dengan cepat hingga 12 kb. pada usia lima tahun. Setelah itu, kecepatan pemendekan berkurang.

Telomer memendek pada tingkat yang berbeda pada orang yang berbeda. Jadi, kecepatan ini sangat dipengaruhi oleh stres. E. Blackburn (pemenang Hadiah Nobel bidang Fisiologi atau Kedokteran 2009) menemukan bahwa wanita yang terus-menerus mengalami stres (misalnya, ibu dari anak yang sakit kronis) memiliki telomer yang jauh lebih pendek dibandingkan dengan rekan-rekan mereka (sekitar sepuluh tahun!). Laboratorium E. Blackburn telah mengembangkan tes komersial untuk menentukan “usia biologis” seseorang berdasarkan panjang telomer.

Menariknya, tikus memiliki telomer yang sangat panjang (50–40 kb, dibandingkan 10–15 kb pada manusia). Pada beberapa strain tikus laboratorium, panjang telomer mencapai 150 kb. Selain itu, pada tikus, telomerase selalu aktif, sehingga mencegah pemendekan telomer. Namun, seperti yang diketahui semua orang, hal ini tidak membuat tikus menjadi abadi. Tidak hanya itu, mereka mengembangkan tumor pada tingkat yang jauh lebih tinggi dibandingkan manusia, menunjukkan bahwa pemendekan telomer sebagai mekanisme pertahanan tumor tidak bekerja pada tikus.

Ketika membandingkan panjang telomer dan aktivitas telomerase pada mamalia yang berbeda, ternyata spesies yang dicirikan oleh penuaan sel replikasi memiliki umur yang lebih panjang dan bobot yang lebih besar. Misalnya saja paus yang umurnya bisa mencapai 200 tahun. Untuk organisme seperti itu, penuaan replikasi sangat diperlukan, karena terlalu banyak pembelahan menghasilkan banyak mutasi yang harus dilawan. Agaknya, penuaan replikasi adalah mekanisme pertarungan yang juga disertai dengan represi telomerase.

Penuaan sel yang berdiferensiasi terjadi secara berbeda. Neuron dan kardiomiosit menua, namun tidak membelah! Misalnya, lipofuscin terakumulasi di dalamnya, pigmen pikun yang mengganggu fungsi sel dan memicu apoptosis. Lemak terakumulasi di sel-sel hati dan limpa seiring bertambahnya usia.

Hubungan antara penuaan sel replikasi dan penuaan tubuh, sebenarnya, belum terbukti, namun patologi terkait usia juga disertai dengan penuaan sel (Gbr. 4). Neoplasma ganas pada lansia sebagian besar berhubungan dengan pembaruan jaringan. Kanker di negara maju merupakan salah satu penyebab utama kesakitan dan kematian, dan faktor risiko independen kanker hanyalah… usia. Jumlah kematian akibat penyakit tumor meningkat secara eksponensial seiring bertambahnya usia, begitu pula angka kematian secara keseluruhan. Hal ini menunjukkan kepada kita bahwa ada hubungan mendasar antara penuaan dan karsinogenesis.

Gambar 4. Fibroblas manusia dari garis WI-38 diwarnai secara histokimia untuk mengetahui adanya aktivitas β-galaktosidase. A - muda; B - tua (tua).

Telomerase merupakan enzim yang telah diprediksi

Tubuh harus memiliki mekanisme yang mengkompensasi pemendekan telomer, asumsi ini dikemukakan oleh A.M. Olovnikov. Memang, pada tahun 1984 enzim semacam itu ditemukan oleh Carol Greider dan diberi nama telomerase. Telomerase (Gbr. 5) adalah transkriptase terbalik yang meningkatkan panjang telomer, mengkompensasi kekurangan replikasinya. Pada tahun 2009, E. Blackburn, K. Grader dan D. Shostak dianugerahi Hadiah Nobel atas penemuan enzim ini dan serangkaian karya tentang studi telomer dan telomerase (lihat: "Hadiah Nobel 'awet muda': penghargaan tahun 2009 atas karya telomer dan telomerase").

Gambar 5. Telomerase mengandung komponen katalitik (TERT reverse transkriptase), telomerase RNA (hTR atau TERC), yang berisi dua salinan pengulangan telomer dan merupakan cetakan untuk sintesis telomer, dan protein diskerin.

Menurut E. Blackburn, telomerase terlibat dalam regulasi aktivitas sekitar 70 gen. Telomerase aktif di jaringan germinal dan embrio, di sel induk dan sel yang berkembang biak. Hal ini ditemukan pada 90% tumor kanker, yang memastikan proliferasi sel kanker yang tidak terkendali. Saat ini, di antara obat yang digunakan untuk mengobati kanker, terdapat inhibitor telomerase. Namun di sebagian besar sel somatik organisme dewasa, telomerase tidak aktif.

Sebuah sel dapat mengalami penuaan karena banyak rangsangan - disfungsi telomer, kerusakan DNA, yang dapat disebabkan oleh pengaruh lingkungan mutagenik, proses endogen, sinyal mitogenik yang kuat (ekspresi berlebih dari onkogen Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 , dll.), kelainan kromatin, stres, dll. Faktanya, sel berhenti membelah - menjadi tua - sebagai respons terhadap kejadian yang berpotensi menyebabkan kanker.

Penjaga Genom

Disfungsi telomer, yang terjadi ketika pemendekan atau gangguan shelterin, mengaktifkan protein p53. Faktor transkripsi ini membawa sel ke dalam keadaan penuaan, atau menyebabkan apoptosis. Dengan tidak adanya p53, ketidakstabilan kromosom berkembang, karakteristik karsinoma manusia. Mutasi pada protein p53 ditemukan pada 50% adenokarsinoma payudara dan 40-60% adenokarsinoma kolorektal. Oleh karena itu, p53 sering disebut sebagai “penjaga genom”.

Telomerase diaktifkan kembali pada sebagian besar tumor asal epitel yang terjadi pada orang tua. Reaktivasi telomerase dianggap sebagai langkah penting dalam proses keganasan karena memungkinkan sel kanker “menentang” batas Hayflick. Disfungsi telomer menyebabkan fusi dan penyimpangan kromosom, yang jika tidak adanya p53 paling sering menyebabkan keganasan.

Tentang mekanisme molekuler penuaan sel

Gambar 6. Diagram siklus sel. Siklus sel dibagi menjadi empat tahap: 1.G1(pra-sintetis) - periode ketika sel bersiap untuk replikasi DNA. Pada tahap ini, penghentian siklus sel dapat terjadi jika kerusakan DNA terdeteksi (selama perbaikan). Jika kesalahan terdeteksi dalam replikasi DNA dan tidak dapat diperbaiki dengan perbaikan, sel tidak memasuki tahap S. 2.S(sintetis) - ketika replikasi DNA terjadi. 3.G2(postsintetik) - persiapan sel untuk mitosis, ketika keakuratan replikasi DNA diperiksa; jika fragmen yang kurang direplikasi atau gangguan sintesis lainnya terdeteksi, transisi ke tahap berikutnya (mitosis) tidak terjadi. 4.M(mitosis) - pembentukan gelendong sel, segregasi (divergensi kromosom) dan pembentukan dua sel anak (pembelahan itu sendiri).

Untuk memahami mekanisme molekuler dari transisi sel ke keadaan penuaan, saya akan mengingatkan Anda bagaimana pembelahan sel terjadi.

Proses reproduksi sel disebut proliferasi. Waktu keberadaan sel dari pembelahan ke pembelahan disebut siklus sel. Proses proliferasi diatur baik oleh sel itu sendiri - faktor pertumbuhan autokrin - dan oleh lingkungan mikronya - sinyal parakrin.

Aktivasi proliferasi terjadi melalui membran sel, yang mengandung reseptor yang merasakan sinyal mitogenik - ini terutama merupakan faktor pertumbuhan dan sinyal kontak antar sel. Faktor pertumbuhan biasanya bersifat peptida (sekitar 100 di antaranya diketahui hingga saat ini). Misalnya, faktor pertumbuhan trombosit, yang terlibat dalam pembentukan trombus dan penyembuhan luka, faktor pertumbuhan epitel, berbagai sitokin - interleukin, faktor nekrosis tumor, faktor perangsang koloni, dll. Setelah aktivasi proliferasi, sel keluar dari fase istirahat G0 dan siklus sel dimulai (Gbr. 6).

Siklus sel diatur oleh kinase yang bergantung pada siklin, berbeda untuk setiap tahap siklus sel. Mereka diaktifkan oleh siklin dan diinaktivasi oleh sejumlah inhibitor. Tujuan dari regulasi kompleks tersebut adalah untuk memastikan sintesis DNA dengan kesalahan sesedikit mungkin, sehingga sel anakan memiliki materi keturunan yang benar-benar identik. Kebenaran penyalinan DNA diperiksa di empat “pos pemeriksaan” siklus: jika kesalahan terdeteksi, siklus sel dihentikan dan perbaikan DNA diaktifkan. Jika kerusakan pada struktur DNA dapat diperbaiki, siklus sel akan terus berlanjut. Jika tidak, sebaiknya sel tersebut “bunuh diri” (dengan apoptosis) untuk menghindari kemungkinan menjadi kanker.

Mekanisme molekuler yang menyebabkan penghentian siklus sel yang ireversibel dikendalikan oleh gen penekan tumor, termasuk p53 dan pRB, yang terkait dengan inhibitor kinase yang bergantung pada siklin. Penekanan siklus sel pada fase G1 dilakukan oleh protein p53, yang bekerja melalui penghambat cyclin-dependent kinase p21. Faktor transkripsi p53 diaktifkan oleh kerusakan DNA, dan fungsinya adalah untuk menghilangkan sel-sel yang berpotensi onkogenik dari kumpulan sel yang bereplikasi (karenanya dijuluki p53 - "penjaga genom"). Gagasan ini didukung oleh fakta bahwa mutasi p53 ditemukan pada ~50% tumor ganas. Manifestasi lain dari aktivitas p53 dikaitkan dengan apoptosis sel yang paling rusak.

Penuaan sel dan penyakit terkait usia

Gambar 7. Hubungan antara penuaan sel dan penuaan tubuh.

Sel-sel tua terakumulasi seiring bertambahnya usia dan berkontribusi terhadap penyakit yang berkaitan dengan usia. Mereka mengurangi potensi proliferasi jaringan dan menghabiskan kumpulan sel induk, yang menyebabkan gangguan degeneratif jaringan dan mengurangi kemampuan untuk beregenerasi dan memperbarui.

Sel-sel tua dicirikan oleh ekspresi gen yang spesifik: mereka mengeluarkan sitokin inflamasi dan metalloproteinase yang menghancurkan matriks antar sel. Ternyata sel-sel tua menyebabkan peradangan pikun yang lamban, dan akumulasi fibroblas tua di kulit menyebabkan penurunan kemampuan penyembuhan luka yang berkaitan dengan usia (Gbr. 7). Sel-sel tua juga merangsang proliferasi dan keganasan sel-sel prakanker di dekatnya melalui sekresi faktor pertumbuhan epitel.

Sel-sel tua terakumulasi di banyak jaringan manusia dan terdapat pada plak aterosklerotik, borok kulit, sendi rematik, dan lesi hiperproliferatif jinak dan praneoplastik pada prostat dan hati. Ketika tumor kanker diiradiasi, beberapa sel juga memasuki kondisi penuaan, sehingga penyakit ini kambuh lagi.

Jadi, penuaan sel menunjukkan efek pleiotropi negatif, yang intinya adalah apa yang baik bagi organisme muda bisa menjadi buruk bagi organisme tua. Contoh yang paling mencolok adalah proses peradangan. Reaksi inflamasi yang nyata berkontribusi pada pemulihan cepat tubuh muda dari penyakit menular. Di usia tua, proses inflamasi aktif menyebabkan penyakit terkait usia. Sekarang secara umum diterima bahwa peradangan memainkan peran penting dalam hampir semua penyakit yang berkaitan dengan usia, dimulai dengan penyakit neurodegeneratif.