Segni morfologici dell'invecchiamento cellulare. Senescenza cellulare (in vitro)

Oggi la scienza chiamata citogerontologia studia la riproduzione e l'invecchiamento delle cellule. Gli scienziati sono riusciti a stabilire che non esiste solo un semplice processo di invecchiamento naturale delle cellule con conseguente morte, ma che può anche essere programmato a livello genetico.

Questo processo è anche chiamato “apoptosi”, come descritto sopra. Questo programma è stato stabilito a livello genetico di ogni persona e il suo obiettivo principale è liberare il corpo dal materiale cellulare in eccesso che non è più necessario.

Fino ad oggi, gli scienziati sono stati in grado di presentare contemporaneamente diverse teorie su come può avvenire esattamente il processo di invecchiamento delle cellule nel corpo.

Oggi gli scienziati stanno conducendo attivamente vari studi, durante i quali studiano il processo di invecchiamento delle cellule del tessuto connettivo del corpo umano. Queste cellule si trovano in tutto il corpo e svolgono un ruolo diretto e abbastanza attivo in quasi tutti i processi metabolici del corpo importanti per la vita umana.

C'è un gruppo di scienziati che sono sicuri quasi al cento per cento che le cellule del tessuto connettivo o i fibroblasti "costringono" letteralmente tutti gli altri sistemi, così come le cellule del corpo umano, a invecchiare. Cioè, l'invecchiamento simultaneo dell'intero organismo avviene contemporaneamente.

Grazie alla ricerca in corso, gli scienziati sono stati in grado di determinare che anche le mutazioni svolgono un certo ruolo nel processo di invecchiamento delle cellule del corpo. Dopotutto, come è noto, i mitocondri si accumulano gradualmente nel DNA, apparendo proprio come risultato di alcune mutazioni.

Nel processo di distruzione cellulare svolge un ruolo importante anche una proteina specifica come la proteina p53. Ad esempio, se, a causa di determinate circostanze, compaiono cellule tumorali nel corpo umano, si attiva immediatamente l'apoptosi, cioè il processo della loro naturale distruzione.

È stato anche possibile stabilire esattamente quale ruolo gioca questo processo nell'invecchiamento cellulare, ma fino ad oggi gli scienziati non sono riusciti a stabilire pienamente questa teoria, quindi è puramente teorica. Vengono condotti vari studi sui muscoli e ogni volta gli scienziati ottengono risultati completamente contraddittori.

C'è un altro fattore importante che ha un impatto diretto sul processo di invecchiamento delle cellule nel corpo umano: la degradazione dei linfociti, che avviene gradualmente. Gli studi sono stati condotti sui primati e i risultati hanno mostrato che se la dieta quotidiana contiene una quantità minima di calorie, l'invecchiamento delle cellule immunitarie rallenterà naturalmente.

Allo stesso tempo, una sostanza che fa parte del sangue e si manifesta all'inizio dell'infiammazione può anche rallentare il processo di invecchiamento: si tratta di una proteina C reattiva unica. L’infezione da oncovirus pericolosi può provocare l’inizio di un rapido processo di avvizzimento naturale del sistema immunitario; pertanto, il sistema di difesa dell’organismo inizia a soffrire.

La giovinezza delle cellule, così come dell'intero corpo umano, è direttamente correlata a una sostanza così speciale come la telomerasi. Questa sostanza è uno degli enzimi speciali che hanno la capacità di aggiungere sezioni uniche di molecole di DNA che possono essere ripetute. Come risultato di questo processo, le cellule possono acquisire una caratteristica come la riproduzione letteralmente infinita, dopo di che non moriranno, ma continueranno a dividersi ulteriormente.

Ad esempio, in una cellula embrionale si osserva un'attività abbastanza elevata di questa sostanza unica (telomerasi). È a causa della graduale estinzione di questo enzima che si verificherà l'invecchiamento cellulare.

Gli ultimi due o tre anni sono stati letteralmente anni di svolta per la gerontologia. Innanzitutto, gli scienziati hanno trovato un modo per prolungare la vita di lieviti, vermi e persino topi attraverso il digiuno, poi hanno scoperto diversi geni che possono prolungare la longevità attiva. È stato addirittura possibile scoprire un collegamento tra lo sviluppo del sistema riproduttivo, il tessuto adiposo e l'aspettativa di vita.

Ma l’approccio alle basi molecolari e cellulari dell’invecchiamento non è cambiato da diversi decenni: l’accumulo di mutazioni che inevitabilmente si verificano durante la divisione, la graduale distruzione delle proteine e l’esaurimento dei sistemi di “riserva”.

Martin Hetzer del Salk Institute for Biological Research e i suoi colleghi sono stati in grado di affinare significativamente questa comprensione:

Dietro le parole generali sull'usura si nasconde almeno un'interruzione del funzionamento dei pori nucleari, che assicurano lo scambio selettivo di contenuti tra il nucleo e la cellula.

Nonostante le dimensioni microscopiche - da cinque a centinaia di micrometri, la cellula stessa comprende diverse dozzine di organelli in più, il principale dei quali è il nucleo, che garantisce la regolazione di tutti i processi intracellulari e persino extracellulari. All'interno del nucleo, che può occupare fino all'80% del volume (nello sperma), si trova la cosa più preziosa: l'informazione genetica crittografata nella sequenza del DNA.

Se non fosse per la membrana nucleare, il numero di mutazioni e di errori nella lettura del codice semplicemente non permetterebbero alla cellula di vivere. Ma nonostante la doppia membrana che circonda i cromosomi,

L'apparato genetico non è isolato: diversi tipi di RNA escono costantemente dal nucleo, regolando la sintesi proteica, mentre al suo interno penetrano segnali che attivano fattori di trascrizione.

Come nel caso delle barriere “più grandi” che operano a livello dell’intero organismo, anche quella nucleare ha una permeabilità selettiva: ad esempio, le molecole liposolubili, siano esse ormoni steroidei o alcuni farmaci, penetrano facilmente nella membrana stessa, che è più simile a un sottile film d'olio intervallato.

Ma gli acidi nucleici, le proteine e altri composti idrofili sono destinati a passare attraverso canali speciali: i pori nucleari. Nonostante la varietà di molecole che vi passano attraverso, i pori stessi sono strutturati in modo abbastanza conservativo nella maggior parte degli organismi e sono costituiti da un canale interno e parti esterne simmetriche, simili alle molecole proteiche situate ai vertici di un ottagono.

Come hanno dimostrato Hetzer e i coautori della pubblicazione su Cell, nel tempo questi pori iniziano a "perdere", causando conseguenze più "evidenti": la deposizione di placche amiloidi lungo i vasi sanguigni del cervello, la distruzione della cartilagine in le articolazioni e la “decrepazione” del cuore.

Utilizzando l'esempio delle cellule muscolari, e poi dell'intero corpo del nematode C. elegans, gli scienziati hanno dimostrato che la parte periferica del canale nucleare si rinnova regolarmente, mentre la parte centrale viene ricostruita solo durante la divisione cellulare, durante la quale la membrana nucleare viene rinnovata. prima distrutto e poi riformato. Di conseguenza, i pori nucleari si “consumano” gradualmente, ma, a differenza di altri sistemi intracellulari, non si rinnovano, il che porta alla “perdita”. Di conseguenza, non solo i mutageni entrano nel nucleo, ma anche altre molecole che interrompono il funzionamento dell'apparato genetico.

Se si tratta di rinnovare costantemente le cellule della pelle o l'epitelio intestinale, allora un problema del genere non si pone, ma che dire delle cellule nervose o muscolari che praticamente non si dividono per tutta la vita? Non sorprende che il loro metabolismo sia legato non solo ai “segnali” provenienti dal nucleo, ma anche a cascate di reazioni stabilite che non richiedono un intervento rapido dell'apparato genetico.

La scoperta di Hetzer non è diventata un'altra ipotesi “autosufficiente” nella teoria dell'invecchiamento. Gli scienziati hanno dimostrato come le specie reattive dell'ossigeno, da tempo diventate il principale nemico dei gerontologi, possono accelerare l'usura dei pori nucleari e con essa l'invecchiamento dell'intera cellula. Possiamo solo sperare che esista ancora un sistema in grado di compensare queste “fughe” e, se verrà scoperto, questa sarà una nuova pietra miliare nello studio della longevità attiva.

Nonostante la sua universalità, il processo di invecchiamento è difficile da definire chiaramente. Con l’età si verificano cambiamenti fisiologici e strutturali in quasi tutti i sistemi di organi. Quando si invecchia, i fattori genetici e sociali, i modelli nutrizionali e le malattie legate all'età - aterosclerosi, diabete, osteoartrite - sono di grande importanza. Anche il danno cellulare legato all’età è una componente importante dell’organismo che invecchia.

Con l’età, numerose funzioni cellulari vengono progressivamente compromesse. L'attività della fosforilazione ossidativa nei mitocondri, la sintesi di enzimi e recettori cellulari diminuisce. Le cellule che invecchiano hanno una ridotta capacità di assorbire i nutrienti e di riparare i danni cromosomici. I cambiamenti morfologici nelle cellule che invecchiano comprendono nuclei irregolari e lobulati, mitocondri polimorfici vacuolati, una diminuzione del reticolo endoplasmatico e la deformazione del complesso lamellare. Allo stesso tempo, si accumula il pigmento lipofuscina.

L’invecchiamento cellulare è un processo multifattoriale. Comprende programmi molecolari endogeni di invecchiamento cellulare così come influenze esogene che portano alla progressiva interferenza con i processi di sopravvivenza cellulare.

Il fenomeno dell'invecchiamento cellulare viene studiato intensamente in esperimenti in vitro. È stato dimostrato che nelle cellule che invecchiano vengono attivati i geni specifici dell'invecchiamento, i geni che regolano la crescita vengono danneggiati, gli inibitori della crescita vengono stimolati e vengono attivati anche altri meccanismi genetici.

Si presume che i difetti genetici possano essere causati dall'accorciamento telomerico dei cromosomi. I telomeri svolgono un ruolo importante nella stabilizzazione delle porzioni terminali dei cromosomi e nel loro fissaggio alla matrice nucleare. Ad esempio, la lunghezza dei telomeri diminuisce negli ultimi passaggi della coltura cellulare e nelle colture cellulari degli anziani. È stata trovata una relazione tra la lunghezza dei telomeri e l'attività della telomerasi.

Il danno cellulare acquisito durante l'invecchiamento avviene sotto l'influenza dei radicali liberi. Le cause di questi danni possono essere l'esposizione a radiazioni ionizzanti o una progressiva diminuzione dell'attività dei meccanismi di difesa antiossidanti, come la vitamina E, la glutatione perossidasi. Il danno cellulare causato dai radicali liberi è accompagnato dall'accumulo di lipofuscina, ma il pigmento in sé non è tossico per la cellula. Inoltre, SPOL e i radicali liberi causano danni agli acidi nucleici sia nel nucleo che nei mitocondri. Le mutazioni e la distruzione del DNA mitocondriale diventano drammatiche con l’avanzare dell’età. I radicali liberi dell'ossigeno catalizzano anche la formazione di modifiche delle proteine, compresi gli enzimi, rendendole sensibili agli effetti dannosi delle proteasi neutre e alcaline contenute nel citosol, che portano a un'ulteriore interruzione delle funzioni cellulari.

Con l’età si verificano anche cambiamenti post-traduzionali nelle proteine intracellulari ed extracellulari. Uno dei tipi di tali cambiamenti è la glicosilazione non enzimatica delle proteine. Ad esempio, la glicosilazione legata all’età delle proteine del cristallino è alla base della cataratta senile.

Infine, vi sono prove di una ridotta formazione di proteine dello stress in vitro negli animali da esperimento durante l'invecchiamento. La formazione delle proteine dello stress è il meccanismo più importante di protezione contro vari stress.

L’invecchiamento cellulare è un processo multifattoriale ed è motivo di preoccupazione per gli scienziati da tempo immemorabile. Questo processo coinvolge programmi molecolari endogeni di invecchiamento cellulare così come influenze esogene che portano alla progressiva interferenza con i processi di sopravvivenza cellulare.

Con l’età, numerose funzioni cellulari vengono progressivamente compromesse. Le cellule che invecchiano hanno una ridotta capacità di assorbire i nutrienti e di riparare i danni cromosomici. Cambiamenti morfologici nelle cellule che invecchiano, in cui diminuisce l'attività della fosforilazione ossidativa nei mitocondri e la loro vacuolizzazione, diminuisce il reticolo endoplasmatico e diminuisce l'attività della sintesi di enzimi e recettori cellulari. Quali trasformazioni avvengono nel nucleo cellulare durante il processo di invecchiamento.

NUCLEO CELLULAREè il luogo di conservazione e implementazione del materiale genetico - piani per la costruzione e la regolazione dei processi di sintesi proteica nella cellula.

PRINCIPALE COMPONENTI DEL KERNEL SONO:

membrana nucleare;
cromatina;
nucleolo;
matrice nucleare.

Il nucleo è sempre localizzato in un punto specifico della cellula. Le principali funzioni svolte dal nucleo cellulare sono l'immagazzinamento, l'uso e la trasmissione dell'informazione genetica. Inoltre, il nucleo è responsabile della formazione delle subunità ribosomiali.

Il nucleo di una cellula può trovarsi in due stati: mitotico (durante la divisione) e interfase (tra le divisioni). Durante l'interfase, al microscopio, nel nucleo di una cellula vivente è visibile solo il nucleolo, che appare otticamente vuoto. Le strutture del nucleo sotto forma di fili e grani possono essere osservate solo quando la cellula è esposta a fattori dannosi, quando passa nello stato limite tra la vita e la morte. Da questo stato la cellula può tornare alla vita normale o morire.

MEMBRANA NUCLEARE - La funzione principale è la barriera. È responsabile della separazione del contenuto del nucleo dal citoplasma, della limitazione del libero trasporto delle macromolecole tra il nucleo e del citoplasma, nonché della creazione dell'ordine intranucleare che fissa il materiale cromosomico. L'involucro nucleare è costituito da una membrana nucleare esterna e una interna.

La membrana esterna dell'involucro nucleare, che è a diretto contatto con il citoplasma della cellula, presenta una serie di caratteristiche strutturali che ne consentono la classificazione come parte del sistema di membrane del reticolo endoplasmatico stesso. Innanzitutto, tali caratteristiche includono la presenza di numerosi poliribosomi sul lato ialoplasmico e la stessa membrana nucleare esterna può trasformarsi direttamente nelle membrane del reticolo endoplasmatico granulare.

La membrana nucleare interna è associata al materiale cromosomico del nucleo. Sul lato del carioplasma, il cosiddetto strato fibrillare, costituito da fibrille, è adiacente alla membrana nucleare interna, ma non è caratteristico di tutte le cellule.

L'involucro nucleare non è continuo. Contiene pori nucleari, che si formano come risultato della fusione di due membrane nucleari. In questo caso si formano fori rotondi passanti. Questi buchi nell'involucro nucleare sono pieni di complesse strutture globulari e fibrillari. Il numero di pori nucleari dipende dall'attività metabolica delle cellule: più intensi sono i processi di sintesi nella cellula, maggiore è il numero di pori per unità di superficie del nucleo cellulare.

CROMATINA(dal greco chroma - colore, vernice) è la struttura principale del nucleo interfase. Chimicamente è un complesso di proteine e DNA con vari gradi di elicità (torsione). Il DNA è una sequenza di nucleotidi, individuale e unica per ognuno. È una cifra o codice unico che determina le caratteristiche della struttura, del funzionamento e dello sviluppo (invecchiamento) del corpo. Cioè, le caratteristiche dell'invecchiamento sono ereditate.

Morfologicamente si distinguono due tipi di cromatina: eterocromatina ed eucromatina. Eterocromatina corrisponde a regioni cromosomiche parzialmente condensate in interfase ed è funzionalmente inattivo. Eucromatina- si tratta di sezioni di cromosomi decondensati in cromatina interfase, funzionalmente attiva.

Durante la mitosi, tutta l'eucromatina viene condensata al massimo e diventa parte dei cromosomi. Durante questo periodo, i cromosomi non svolgono alcuna funzione sintetica. A volte, in alcuni casi, un intero cromosoma può rimanere in uno stato condensato durante l'interfase e ha l'aspetto di un'eterocromatina liscia. Ad esempio, uno dei cromosomi X delle cellule somatiche del corpo femminile è soggetto a eterocromatazione nelle fasi iniziali dell'embriogenesi (durante la frammentazione) e non funziona. Questa cromatina è chiamata cromatina sessuale o corpi di Barr.

Le proteine della cromatina costituiscono il 60-70% della sua massa secca e sono rappresentate da due gruppi:

proteine istoniche;
proteine non istoniche.

Proteine istoniche(istoni) sono proteine alcaline contenenti aminoacidi basici (principalmente lisina, arginina). Sono disposti in modo non uniforme sotto forma di blocchi lungo la lunghezza della molecola di DNA. Un blocco contiene 8 molecole di istoni che formano un nucleosoma. Il nucleosoma è formato dalla compattazione e dal superavvolgimento del DNA.

Le proteine non istoniche costituiscono il 20% della quantità di istoni e nei nuclei interfase formano una rete strutturale all'interno del nucleo, chiamata matrice proteica nucleare. Questa matrice rappresenta l'impalcatura che determina la morfologia e il metabolismo del nucleo.

Nucleolo- la struttura più densa del nucleo, è un derivato del cromosoma, uno dei suoi loci con la più alta concentrazione e sintesi attiva di RNA in interfase, ma non è una struttura o organello indipendente.

Il nucleolo ha una struttura eterogenea ed è costituito da due componenti principali: granulare e fibrillare. La componente granulare è rappresentata dai granuli (subunità ribosomiali in maturazione) ed è localizzata lungo la periferia. La componente fibrillare sono i filamenti ribonucleoproteici dei precursori dei ribosomi, che sono concentrati nella parte centrale del nucleolo.

L'ultrastruttura dei nucleoli dipende dall'attività della sintesi dell'RNA: ad un alto livello di sintesi, nel nucleolo viene rilevato un gran numero di granuli; quando la sintesi si interrompe, il numero di granuli diminuisce e i nucleoli si trasformano in densi filamenti fibrillari di basofili natura.

MATRICE NUCLEARE (carioplasma) è la parte liquida del nucleo che riempie lo spazio tra la cromatina e i nucleoli.

Il carioplasma è costituito principalmente da proteine, metaboliti e ioni. Parte della matrice nucleare è la lamina fibrosa dell'involucro nucleare. Lo scheletro nucleare probabilmente contribuisce alla formazione di una struttura proteica alla quale sono attaccati gli anelli di DNA.

INVECCHIAMENTO FISIOLOGICO DELLE CELLULEè uno stato di cessazione irreversibile della crescita. La base dell’invecchiamento del corpo è l’invecchiamento cellulare. Che, a sua volta, è causato dalla riorganizzazione del genoma che si verifica a seguito dell’accorciamento dei telomeri e dei difetti nei sistemi di riparazione del DNA.

È stato dimostrato che nelle cellule che invecchiano vengono attivati geni specifici, i regolatori vengono danneggiati, gli inibitori della crescita vengono stimolati e vengono attivati anche altri meccanismi genetici. Gli scienziati suggeriscono che i difetti genetici potrebbero essere causati dall'accorciamento telomerico dei cromosomi.

I telomeri svolgono un ruolo importante nella stabilizzazione delle porzioni terminali dei cromosomi e nel loro fissaggio alla matrice nucleare. La lunghezza dei telomeri diminuisce nelle cellule delle persone senili. È stata scoperta una connessione tra la lunghezza del telomero e l'attività della telomerasi, a seguito della quale la lunghezza delle regioni telomeriche dei cromosomi cellulari aumenta o rimane a un livello costante.

Le cellule invecchiate non assomigliano a quelle giovani, e questo si manifesta nell'accumulo di frammenti di DNA in eccesso e di proteine cellulari errate, nonché nella comparsa di strutture anormali nel nucleolo (un insieme di proteine e acidi nucleici situati nel nucleo della cellula). . Inoltre, queste cellule sono soggette ad invecchiamento replicativo, cioè sono in grado di dividersi un certo numero di volte (circa 50).

Gli scienziati lo hanno scoperto anche in In alcuni casi è possibile azzerare il contatore. Allo stesso tempo è stato possibile scoprire come viene attivato il gene speciale NDT80. Per verificare il ruolo previsto di questo gene, i ricercatori lo hanno attivato in una cellula vecchia e non riproduttiva. L'inclusione di NDT80 ha portato un doppio effetto: la cellula ha vissuto il doppio del solito e i difetti legati all'età nel nucleolo sono stati corretti. Ciò indica che le anomalie nucleolari detengono una delle chiavi dell’invecchiamento cellulare (la seconda chiave, telomerica, è molto meglio studiata). Purtroppo non è ancora chiaro come funzioni il meccanismo di ripristino dell’orologio cellulare. È noto solo che la proteina codificata dal gene NDT80 è un fattore di trascrizione, cioè funge da trigger: attiva altri geni nella cellula.

I seguaci della teoria dell'invecchiamento dei radicali liberi credono che il danno cellulare acquisito durante l'invecchiamento avvenga sotto l'influenza dei radicali liberi. Le cause di questo danno possono essere l'esposizione alle radiazioni ionizzanti o un progressivo declino dell'attività dei meccanismi di difesa antiossidanti, come la vitamina E. Inoltre, i radicali liberi causano danni agli acidi nucleici sia nel nucleo che nei mitocondri. Le mutazioni e la distruzione del DNA mitocondriale diventano semplicemente “drammatiche” con l’età. I radicali liberi dell'ossigeno catalizzano anche la formazione di modifiche delle proteine, compresi gli enzimi, rendendole sensibili agli effetti dannosi delle proteasi neutre e alcaline contenute nel citosol, che portano a un'ulteriore interruzione delle funzioni cellulari.

Pertanto, il processo di invecchiamento cellulare è vario. È attivato da vari fattori e attraversa diversi percorsi di segnalazione. Il processo di invecchiamento è diverso nelle diverse cellule, avviene in momenti diversi nel tempo, ma porta in ogni caso alla disfunzione e alla morte della cellula. La discussione sulle cause dell'invecchiamento cellulare e sulla sua influenza sull'invecchiamento generale del corpo non è ancora stata raggiunta e gli scienziati devono ancora trovare risposte a numerose domande importanti per lo sviluppo di mezzi per combattere l'invecchiamento.

COSMETICI CELLULARI CELLCOSMET & CELLMEN (SVIZZERA)
COSMETICI "DOTTOR SPIELLER BIOCOSMETICA" ( DR.SPILLER)
INIEZIONI DI BELLEZZA

Articolo per il concorso “bio/mol/text”: Sono passati più di 50 anni da quando è stato dimostrato il fenomeno dell’invecchiamento cellulare nelle colture di fibroblasti, ma l’esistenza di cellule vecchie nell'organismoè stato a lungo messo in discussione. Non c'erano prove che l'invecchiamento singole cellule gioca un ruolo importante nell'invecchiamento di tutto corpo. Negli ultimi anni sono stati scoperti i meccanismi molecolari dell’invecchiamento cellulare e la loro connessione con il cancro e l’infiammazione. Secondo i concetti moderni, l'infiammazione gioca un ruolo di primo piano nella genesi di quasi tutte le malattie legate all'età, che alla fine portano alla morte del corpo. Si è scoperto che le cellule vecchie, da un lato, agiscono come soppressori del tumore (poiché smettono irreversibilmente di dividersi e riducono il rischio di trasformazione delle cellule circostanti) e, dall'altro, il metabolismo specifico delle cellule vecchie può causare infiammazioni e degenerazione delle cellule precancerose vicine in cellule maligne. Attualmente sono in corso studi clinici su farmaci che eliminano selettivamente le cellule vecchie negli organi e nei tessuti, prevenendo così cambiamenti degenerativi negli organi e il cancro.

Nel corpo umano esistono circa 300 tipi di cellule e sono tutte divise in due grandi gruppi: alcune possono dividersi e moltiplicarsi (cioè si mitoticamente competente), e altri - postmitotico- non dividersi: si tratta di neuroni che hanno raggiunto lo stadio estremo di differenziazione, cardiomiociti, leucociti granulari e altri.

Nel nostro corpo ci sono tessuti in rinnovamento, in cui c'è un pool di cellule in continua divisione che sostituiscono le cellule esaurite o morenti. Tali cellule si trovano nelle cripte intestinali, nello strato basale dell'epitelio cutaneo e nel midollo osseo (cellule emopoietiche). Il rinnovamento cellulare può avvenire in modo piuttosto intenso: ad esempio, le cellule del tessuto connettivo del pancreas vengono sostituite ogni 24 ore, le cellule della mucosa gastrica - ogni tre giorni, i leucociti - ogni 10 giorni, le cellule della pelle - ogni sei settimane, circa 70 g di cellule proliferanti le cellule dell'intestino tenue vengono rimosse dal corpo ogni giorno.

Le cellule staminali, presenti in quasi tutti gli organi e tessuti, sono in grado di dividersi illimitatamente. La rigenerazione dei tessuti avviene grazie alla proliferazione delle cellule staminali, che possono non solo dividersi, ma anche differenziarsi in cellule del tessuto di cui avviene la rigenerazione. Le cellule staminali si trovano nel miocardio, nel cervello (nell'ippocampo e nei bulbi olfattivi) e in altri tessuti. Ciò rappresenta una grande promessa per il trattamento delle malattie neurodegenerative e dell’infarto del miocardio.

Il costante rinnovamento dei tessuti contribuisce ad aumentare l’aspettativa di vita. Quando le cellule si dividono, avviene il ringiovanimento dei tessuti: nuove cellule sostituiscono quelle danneggiate, mentre la riparazione (eliminazione del danno al DNA) avviene più intensamente e la rigenerazione è possibile in caso di danno tissutale. Non sorprende che i vertebrati abbiano una durata di vita significativamente più lunga degli invertebrati, gli stessi insetti le cui cellule non si dividono da adulti.

Ma allo stesso tempo, i tessuti rinnovati sono soggetti a iperproliferazione, che porta alla formazione di tumori, compresi quelli maligni. Ciò si verifica a causa della disregolazione della divisione cellulare e dell'aumento dei tassi di mutagenesi nelle cellule che si dividono attivamente. Secondo i concetti moderni, affinché una cellula acquisisca la proprietà di essere maligna, ha bisogno di 4-6 mutazioni. Le mutazioni si verificano raramente e affinché una cellula diventi cancerosa - questo è calcolato per i fibroblasti umani - devono verificarsi circa 100 divisioni (questo numero di divisioni di solito si verifica in una persona intorno ai 40 anni).

Vale la pena ricordare, tuttavia, che le mutazioni sono mutazioni diverse e, secondo le ultime ricerche genomiche, in ogni generazione una persona acquisisce circa 60 nuove mutazioni (che non erano nel DNA dei suoi genitori). Ovviamente, la maggior parte di essi sono abbastanza neutrali (vedi “Superati mille: la terza fase della genomica umana”). - Ed.

Per proteggersi da se stesso, nel corpo si sono formati speciali meccanismi cellulari soppressione del tumore. Uno di questi è l’invecchiamento replicativo delle cellule ( senescenza), che consiste nell'arresto irreversibile della divisione cellulare nella fase G1 del ciclo cellulare. Con l’invecchiamento la cellula smette di dividersi: non risponde ai fattori di crescita e diventa resistente all’apoptosi.

Limite di Hayflick

Il fenomeno dell'invecchiamento cellulare fu scoperto per la prima volta nel 1961 da Leonard Hayflick e colleghi utilizzando colture di fibroblasti. Si è scoperto che le cellule in una coltura di fibroblasti umani, in buone condizioni, vivono per un tempo limitato e sono in grado di raddoppiare circa 50 ± 10 volte - e questo numero cominciò a essere chiamato limite di Hayflick. Prima della scoperta di Hayflick, il punto di vista prevalente era che le cellule sono immortali e che l'invecchiamento e la morte sono una proprietà dell'organismo nel suo insieme.

Questo concetto fu considerato inconfutabile in gran parte grazie agli esperimenti di Carrel, che mantenne per 34 anni una coltura di cellule di cuore di pollo (fu scartata solo dopo la sua morte). Tuttavia, come si è scoperto in seguito, l'immortalità della cultura di Carrel era un artefatto, poiché insieme al siero fetale, che veniva aggiunto al mezzo di coltura per la crescita cellulare, arrivavano le cellule embrionali stesse (e, molto probabilmente, la cultura di Carrel era non è più quello che era all'inizio).

Le cellule tumorali sono veramente immortali. Pertanto, le cellule HeLa, isolate nel 1951 da un tumore cervicale di Henrietta Lacks, sono ancora utilizzate dai citologi (in particolare, utilizzando le cellule HeLa è stato sviluppato un vaccino contro la poliomielite). Queste cellule sono state persino nello spazio.

Per l'affascinante storia dell'immortalità di Henrietta Lacks, vedere l'articolo "Le cellule immortali di Henrietta Lacks", così come "Gli eredi delle cellule HeLa". - Ed.

Come si è scoperto, il limite di Hayflick dipende dall’età: più una persona è anziana, meno volte le sue cellule raddoppiano nella coltura. È interessante notare che le cellule congelate, una volta scongelate e successivamente coltivate, sembrano ricordare il numero di divisioni effettuate prima del congelamento. All'interno della cellula, infatti, è presente un “contatore di divisioni” e, raggiunto un certo limite (limite di Hayflick), la cellula smette di dividersi e diventa senescente. Le cellule senescenti (vecchie) hanno una morfologia specifica: sono grandi, appiattite, con nuclei grandi, altamente vacuolate e il loro profilo di espressione genica cambia. Nella maggior parte dei casi sono resistenti all'apoptosi.

Tuttavia, l’invecchiamento del corpo non può essere ridotto solo all’invecchiamento delle cellule. Questo è un processo molto più complesso. Ci sono cellule vecchie in un corpo giovane, ma ce ne sono poche! Quando, con l'età, le cellule senescenti si accumulano nei tessuti, iniziano i processi degenerativi che portano a malattie legate all'età. Uno dei fattori di queste malattie è il cosiddetto senile Infiammazione "sterile"., che è associato all'espressione di citochine proinfiammatorie da parte delle cellule senescenti.

Un altro fattore importante nell'invecchiamento biologico è la struttura dei cromosomi e delle loro punte: i telomeri.

Teoria dei telomeri dell'invecchiamento

Figura 1. I telomeri sono le estremità dei cromosomi. Poiché gli esseri umani hanno 23 paia di cromosomi (cioè 46 pezzi), ci sono 92 telomeri.

Nel 1971, il nostro connazionale Alexey Matveevich Olovnikov suggerì che il limite di Hayflick è associato alla "sottoreplicazione" delle sezioni terminali dei cromosomi lineari (hanno un nome speciale - telomeri). Il fatto è che in ogni ciclo di divisione cellulare, i telomeri si accorciano a causa dell'incapacità della DNA polimerasi di sintetizzare una copia del DNA dalla punta. Inoltre, Olovnikov ne predisse l'esistenza telomerasi(un enzima che aggiunge sequenze ripetitive di DNA alle estremità dei cromosomi), basato sul fatto che altrimenti, nella divisione attiva delle cellule, il DNA verrebbe rapidamente “mangiato” e il materiale genetico andrebbe perso. (Il problema è che l’attività della telomerasi svanisce nella maggior parte delle cellule differenziate.)

I telomeri (Fig. 1) svolgono un ruolo importante: stabilizzano le estremità dei cromosomi, che altrimenti, come dicono i citogenetici, diventerebbero “appiccicosi”, cioè suscettibile a varie aberrazioni cromosomiche, che portano alla degradazione del materiale genetico. I telomeri sono costituiti da sequenze ripetute (1000–2000 volte) (5′-TTAGGG-3′), per un totale di 10–15 mila coppie di nucleotidi su ciascuna punta cromosomica. All'estremità 3', i telomeri hanno una regione di DNA a filamento singolo piuttosto lunga (150-200 nucleotidi), che è coinvolta nella formazione di un anello di tipo lazo (Fig. 2). Diverse proteine sono associate ai telomeri, formando un "cappuccio" protettivo: viene chiamato questo complesso rifugiarsi(Fig. 3). Shelterin protegge i telomeri dall'azione delle nucleasi e dell'adesione e, a quanto pare, è proprio lei a preservare l'integrità del cromosoma.

Figura 2. Composizione e struttura dei telomeri. La divisione cellulare ripetuta in assenza di attività della telomerasi porta all'accorciamento dei telomeri e senescenza replicativa.

Figura 3. Struttura del complesso telomerico ( riparoina). I telomeri si trovano alle estremità dei cromosomi e sono costituiti da ripetizioni TTAGGG in tandem che terminano con una sporgenza a filamento singolo di 32 metri. Associato al DNA telomerico rifugiarsi- un complesso di sei proteine: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 e POT1.

Le estremità non protette dei cromosomi sono percepite dalla cellula come un danno al materiale genetico, che attiva la riparazione del DNA. Il complesso telomerico, insieme alla protezione, “stabilizza” le punte dei cromosomi, proteggendo l'intero cromosoma dalla distruzione. Nelle cellule senescenti, l'accorciamento critico dei telomeri interrompe questa funzione protettiva e quindi iniziano a formarsi aberrazioni cromosomiche, che spesso portano a tumori maligni. Per evitare che ciò accada, speciali meccanismi molecolari bloccano la divisione cellulare e la cellula entra in uno stato senescenza- arresto irreversibile del ciclo cellulare. In questo caso, è garantito che la cellula non sarà in grado di riprodursi, il che significa che non sarà in grado di formare un tumore. Nelle cellule con ridotta capacità di senescenza (che si riproducono nonostante la disfunzione dei telomeri), si formano aberrazioni cromosomiche.

La lunghezza dei telomeri e la velocità del loro accorciamento dipendono dall'età. Negli esseri umani, la lunghezza dei telomeri varia da 15mila coppie di nucleotidi (kb) alla nascita a 5 kb. per malattie croniche. La lunghezza dei telomeri raggiunge il massimo a 18 mesi di età e poi diminuisce rapidamente fino a 12 kb. all'età di cinque anni. Successivamente, la velocità di accorciamento diminuisce.

I telomeri si accorciano a velocità diverse in persone diverse. Quindi, questa velocità è fortemente influenzata dallo stress. E. Blackburn (Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2009) ha scoperto che le donne costantemente sotto stress (ad esempio, madri di bambini malati cronici) hanno telomeri significativamente più corti rispetto ai loro coetanei (di circa dieci anni!). Il laboratorio di E. Blackburn ha sviluppato un test commerciale per determinare l'“età biologica” delle persone in base alla lunghezza dei telomeri.

È interessante notare che i topi hanno telomeri molto lunghi (50-40 kb, rispetto a 10-15 kb negli esseri umani). In alcuni ceppi di topi da laboratorio, la lunghezza dei telomeri raggiunge i 150 kb. Inoltre, nei topi, la telomerasi è sempre attiva, il che impedisce l’accorciamento dei telomeri. Tuttavia, come tutti sanno, questo non rende i topi immortali. Non solo, ma sviluppano tumori a un tasso molto più elevato rispetto agli esseri umani, suggerendo che l’accorciamento dei telomeri come meccanismo di difesa del tumore non funziona nei topi.

Confrontando la lunghezza dei telomeri e l'attività della telomerasi in diversi mammiferi, si è scoperto che le specie caratterizzate da invecchiamento cellulare replicativo hanno una durata di vita più lunga e un peso maggiore. Queste sono, ad esempio, le balene, la cui durata di vita può raggiungere i 200 anni. Per tali organismi, l’invecchiamento replicativo è semplicemente necessario, poiché troppe divisioni generano molte mutazioni che devono essere in qualche modo combattute. Presumibilmente, l’invecchiamento replicativo è uno di questi meccanismi di lotta, accompagnato anche dalla repressione della telomerasi.

L'invecchiamento delle cellule differenziate avviene in modo diverso. Sia i neuroni che i cardiomiociti invecchiano, ma non si dividono! In essi, ad esempio, si accumula la lipofuscina, un pigmento senile che interrompe il funzionamento cellulare e innesca l'apoptosi. Il grasso si accumula nelle cellule del fegato e della milza man mano che invecchiamo.

La connessione tra l'invecchiamento replicativo cellulare e l'invecchiamento del corpo in senso stretto non è stata dimostrata, ma anche la patologia legata all'età è accompagnata dall'invecchiamento cellulare (Fig. 4). Le neoplasie maligne dell'anziano sono per lo più associate a tessuti rinnovati. Il cancro nei paesi sviluppati è una delle principali cause di morbilità e mortalità e un fattore di rischio indipendente per il cancro è semplicemente… l’età. Il numero di decessi per malattie tumorali aumenta esponenzialmente con l’età, così come la mortalità complessiva. Questo ci dice che esiste un legame fondamentale tra invecchiamento e carcinogenesi.

Figura 4. Fibroblasti umani della linea WI-38 colorati istochimicamente per la presenza di attività β-galattosidasica. UN - giovane; B - vecchio (senescente).

La telomerasi è un enzima che è stato previsto

Deve esserci un meccanismo nel corpo che compensa l'accorciamento dei telomeri, questa ipotesi è stata fatta da A.M. Olovnikov. Infatti, nel 1984 un tale enzima fu scoperto da Carol Greider e gli venne dato un nome telomerasi. La telomerasi (Fig. 5) è una trascrittasi inversa che aumenta la lunghezza dei telomeri, compensando la loro sottoreplica. Nel 2009, E. Blackburn, K. Grader e D. Shostak hanno ricevuto il Premio Nobel per la scoperta di questo enzima e una serie di lavori sullo studio dei telomeri e della telomerasi (vedi: "Il Premio Nobel 'senza età': il 2009 premia il lavoro sui telomeri e sulla telomerasi").

Figura 5. Telomerasi contiene un componente catalitico (TERT trascrittasi inversa), l'RNA della telomerasi (hTR o TERC), che contiene due copie della ripetizione telomerica ed è un modello per la sintesi dei telomeri, e la proteina discerina.

Secondo E. Blackburn la telomerasi è coinvolta nella regolazione dell'attività di circa 70 geni. La telomerasi è attiva nei tessuti germinali ed embrionali, nelle cellule staminali e proliferanti. Si trova nel 90% dei tumori cancerosi, il che garantisce la proliferazione incontrollabile delle cellule tumorali. Attualmente, tra i farmaci usati per curare il cancro, c'è un inibitore della telomerasi. Ma nella maggior parte delle cellule somatiche di un organismo adulto, la telomerasi non è attiva.

Una cellula può essere portata in uno stato di senescenza da molti stimoli: disfunzione dei telomeri, danni al DNA, che possono essere causati da influenze ambientali mutagene, processi endogeni, forti segnali mitogeni (sovraespressione degli oncogeni Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 , ecc.), disturbi della cromatina, stress, ecc. Infatti, le cellule smettono di dividersi - diventando senescenti - in risposta a eventi potenzialmente cancerogeni.

Guardiano del genoma

La disfunzione dei telomeri, che si verifica quando questi vengono accorciati o la protezione viene interrotta, attiva la proteina p53. Questo fattore di trascrizione porta la cellula in uno stato di senescenza o provoca l'apoptosi. In assenza di p53 si sviluppa l'instabilità cromosomica, caratteristica dei carcinomi umani. Mutazioni nella proteina p53 si riscontrano nel 50% degli adenocarcinomi mammari e nel 40-60% degli adenocarcinomi del colon-retto. Pertanto, p53 è spesso chiamato il “guardiano del genoma”.

La telomerasi viene riattivata nella maggior parte dei tumori di origine epiteliale che si verificano negli anziani. Si ritiene che la riattivazione della telomerasi sia un passo importante nei processi maligni perché consente alle cellule tumorali di “sfidare” il limite di Hayflick. La disfunzione dei telomeri promuove fusioni e aberrazioni cromosomiche, che in assenza di p53 molto spesso portano a tumori maligni.

Sui meccanismi molecolari dell'invecchiamento cellulare

Figura 6. Diagramma del ciclo cellulare. Il ciclo cellulare è diviso in quattro fasi: 1.G1(pre-sintetico) - il periodo in cui la cellula si prepara per la replicazione del DNA. In questa fase, può verificarsi l'arresto del ciclo cellulare se viene rilevato un danno al DNA (durante la riparazione). Se vengono rilevati errori nella replicazione del DNA e non possono essere corretti mediante riparazione, la cellula non entra nello stadio S. 2.S(sintetico) - quando avviene la replicazione del DNA. 3.G2(postsintetico) - preparazione della cellula per la mitosi, quando viene verificata l'accuratezza della replicazione del DNA; se vengono rilevati frammenti sottoreplicati o altri disturbi nella sintesi, la transizione allo stadio successivo (mitosi) non avviene. 4.M(mitosi) - la formazione di un fuso cellulare, la segregazione (divergenza cromosomica) e la formazione di due cellule figlie (divisione stessa).

Per comprendere i meccanismi molecolari della transizione di una cellula verso uno stato di senescenza, ti ricorderò come avviene la divisione cellulare.

Il processo di riproduzione cellulare è chiamato proliferazione. Il tempo in cui una cellula passa da una divisione all'altra è chiamato ciclo cellulare. Il processo di proliferazione è regolato sia dalla cellula stessa - fattori di crescita autocrini - sia dal suo microambiente - segnali paracrini.

L'attivazione della proliferazione avviene attraverso la membrana cellulare, che contiene recettori che percepiscono i segnali mitogeni: si tratta principalmente di fattori di crescita e segnali di contatto intercellulare. I fattori di crescita sono generalmente di natura peptidica (ad oggi se ne conoscono circa 100). Questi sono, ad esempio, il fattore di crescita piastrinico, che è coinvolto nella formazione di trombi e nella guarigione delle ferite, il fattore di crescita epiteliale, varie citochine - interleuchine, il fattore di necrosi tumorale, i fattori stimolanti le colonie, ecc. Dopo l'attivazione della proliferazione, la cellula esce dalla fase di riposo G0 e inizia il ciclo cellulare (Fig. 6).

Il ciclo cellulare è regolato da chinasi ciclina-dipendenti, diverse per ogni fase del ciclo cellulare. Sono attivati dalle cicline e inattivati da una serie di inibitori. Lo scopo di una regolazione così complessa è garantire la sintesi del DNA con il minor numero di errori possibile, in modo che le cellule figlie abbiano materiale ereditario assolutamente identico. Il controllo della correttezza della copiatura del DNA viene effettuato in quattro “punti di controllo” del ciclo: se vengono rilevati errori, il ciclo cellulare si arresta e viene attivata la riparazione del DNA. Se il danno alla struttura del DNA può essere corretto, il ciclo cellulare continua. In caso contrario, è meglio che la cellula si “suicidi” (per apoptosi) per evitare la possibilità di diventare cancerosa.

I meccanismi molecolari che portano all'arresto irreversibile del ciclo cellulare sono controllati da geni oncosoppressori, inclusi p53 e pRB, associati agli inibitori della chinasi ciclina-dipendenti. La soppressione del ciclo cellulare nella fase G1 è effettuata dalla proteina p53, che agisce attraverso l'inibitore della chinasi ciclina-dipendente p21. Il fattore di trascrizione p53 viene attivato dal danno al DNA e la sua funzione è quella di rimuovere dal pool di cellule replicanti quelle potenzialmente oncogene (da cui il soprannome p53 - “guardiano del genoma”). Questa idea è supportata dal fatto che le mutazioni di p53 si trovano nel 50% circa dei tumori maligni. Un'altra manifestazione dell'attività di p53 è associata all'apoptosi delle cellule più danneggiate.

Senescenza cellulare e malattie legate all’età

Figura 7. Relazione tra invecchiamento cellulare e invecchiamento corporeo.

Le cellule senescenti si accumulano con l’età e contribuiscono alle malattie legate all’età. Riducono il potenziale proliferativo del tessuto e impoveriscono il pool di cellule staminali, il che porta a disturbi degenerativi dei tessuti e riduce la capacità di rigenerarsi e rinnovarsi.

Le cellule senescenti sono caratterizzate da un'espressione genica specifica: secernono citochine infiammatorie e metalloproteinasi che distruggono la matrice intercellulare. Si scopre che le cellule vecchie provocano un'infiammazione senile lenta e l'accumulo di vecchi fibroblasti nella pelle provoca una diminuzione correlata all'età della capacità di guarire le ferite (Fig. 7). Le cellule vecchie stimolano anche la proliferazione e la malignità delle cellule precancerose vicine attraverso la secrezione del fattore di crescita epiteliale.

Le cellule senescenti si accumulano in molti tessuti umani e sono presenti nelle placche aterosclerotiche, nelle ulcere cutanee, nelle articolazioni artritiche e nelle lesioni iperproliferative benigne e preneoplastiche della prostata e del fegato. Quando i tumori cancerosi vengono irradiati, alcune cellule entrano anche in uno stato di senescenza, garantendo così la recidiva della malattia.

Pertanto, l'invecchiamento cellulare dimostra l'effetto della pleiotropia negativa, la cui essenza è che ciò che è buono per un organismo giovane può diventare dannoso per uno vecchio. L'esempio più eclatante sono i processi di infiammazione. Una reazione infiammatoria pronunciata contribuisce al rapido recupero del giovane corpo dalle malattie infettive. Nella vecchiaia, i processi infiammatori attivi portano a malattie legate all'età. È ormai generalmente accettato che l’infiammazione svolga un ruolo decisivo in quasi tutte le malattie legate all’età, a cominciare da quelle neurodegenerative.