Šūnu novecošanās morfoloģiskās pazīmes. Šūnu novecošanās (in vitro)

Mūsdienās zinātne, ko sauc par citogerontoloģiju, pēta šūnu reprodukciju un novecošanos. Zinātnieki ir spējuši konstatēt, ka pastāv ne tikai vienkāršs šūnu dabiskās novecošanās process ar sekojošu nāvi, bet arī to var ieprogrammēt ģenētiskā līmenī.

Šo procesu sauc arī par "apoptozi", kā aprakstīts iepriekš. Šī programma tika noteikta katra cilvēka ģenētiskajā līmenī, un tās galvenais mērķis ir atbrīvot ķermeni no liekā šūnu materiāla, kas vairs nav vajadzīgs.

Līdz šim zinātnieki ir spējuši vienlaikus prezentēt vairākas teorijas par to, kā tieši var notikt šūnu novecošanās process organismā.

Mūsdienās zinātnieki diezgan aktīvi veic dažādus pētījumus, kuru laikā pēta cilvēka ķermeņa saistaudu šūnu novecošanās procesu. Šīs šūnas atrodas visā ķermenī, un tās tieši un diezgan aktīvi piedalās gandrīz visos ķermeņa vielmaiņas procesos, kas ir svarīgi cilvēka dzīvībai.

Ir zinātnieku grupa, kas ir gandrīz simtprocentīgi pārliecināta, ka saistaudu šūnas jeb fibroblasti burtiski “piespiež” visas pārējās sistēmas, kā arī cilvēka ķermeņa šūnas novecot. Tas nozīmē, ka vienlaikus notiek visa organisma novecošanās.

Pateicoties notiekošajiem pētījumiem, zinātnieki varēja noteikt, ka mutācijām ir arī noteikta loma ķermeņa šūnu novecošanās procesā. Galu galā, kā zināms, mitohondriji pakāpeniski uzkrājas DNS, parādoties tieši noteiktu mutāciju rezultātā.

Šūnu iznīcināšanas procesā svarīga loma ir arī tādam specifiskam proteīnam kā p53 proteīns. Piemēram, ja noteiktu apstākļu dēļ cilvēka organismā parādās audzēja šūnas, acumirklī tiek aktivizēta apoptoze, tas ir, to dabiskās iznīcināšanas process.

Bija arī iespējams precīzi noteikt, kāda loma šim procesam ir šūnu novecošanā, taču līdz šim zinātniekiem nav izdevies pilnībā izveidot šo teoriju, tāpēc tā ir tīri teorētiska. Ar muskuļiem tiek veikti dažādi pētījumi, un katru reizi zinātnieki iegūst pilnīgi pretrunīgus rezultātus.

Ir vēl viens svarīgs faktors, kas tieši ietekmē šūnu novecošanās procesu cilvēka organismā - limfocītu šūnu degradācija, kas notiek pakāpeniski. Pētījumi tika veikti ar primātiem, un rezultāti parādīja, ka, ja ikdienas uzturs satur minimālu kaloriju daudzumu, imūno šūnu novecošanās dabiski palēnināsies.

Tajā pašā laikā viela, kas ir daļa no asinīm un izpaužas iekaisuma sākumā, var arī palēnināt to novecošanās procesu - tas ir unikāls C reaktīvais proteīns. Inficēšanās ar bīstamiem onkovīrusiem var izraisīt strauju imūnsistēmas dabiskas nožūšanas procesu, tāpēc sāk ciest organisma aizsargsistēma.

Šūnu, kā arī visa cilvēka ķermeņa jaunība ir tieši saistīta ar tādu īpašu vielu kā telomerāze. Šī viela ir viens no īpašajiem fermentiem, kam ir iespēja pievienot unikālas DNS molekulu sadaļas, kuras var atkārtot. Šā procesa rezultātā šūnas var iegūt tādu īpašību kā burtiski nebeidzama vairošanās, pēc kuras tās nemirs, bet turpinās dalīties tālāk.

Piemēram, embrija šūnā tiek novērota diezgan augsta šīs unikālās vielas (telomerāzes) aktivitāte. Šī enzīma pakāpeniskas izzušanas rezultātā notiks šūnu novecošanās.

Pēdējie divi vai trīs gadi burtiski ir bijuši izrāviena gadi gerontoloģijā. Pirmkārt, zinātnieki atrada veidu, kā badošanās laikā pagarināt rauga, tārpu un pat peļu dzīvi, pēc tam viņi atrada vairākus gēnus, kas var pagarināt aktīvo ilgmūžību. Bija pat iespējams atklāt saikni starp reproduktīvās sistēmas attīstību, taukaudiem un paredzamo dzīves ilgumu.

Taču pieeja novecošanās molekulārajai un šūnu bāzei nav mainījusies vairākus gadu desmitus: mutāciju uzkrāšanās, kas neizbēgami rodas dalīšanās laikā, pakāpeniska olbaltumvielu iznīcināšana un “rezerves” sistēmu izsīkšana.

Martins Hetzers no Salkas Bioloģisko pētījumu institūta un viņa kolēģi spēja ievērojami uzlabot šo izpratni:

Aiz vispārīgajiem vārdiem par nodilumu slēpjas vismaz kodola poru darbības traucējumi, kas nodrošina selektīvu satura apmaiņu starp kodolu un šūnu.

Neskatoties uz mikroskopiskajiem izmēriem - no pieciem līdz simtiem mikrometru, pašā šūnā ir vēl vairāki desmiti organellu, no kurām galvenā ir kodols, kas nodrošina visu intracelulāro un pat ārpusšūnu procesu regulēšanu. Kodola iekšpusē, kas var aizņemt līdz pat 80% no tilpuma (spermā), atrodas visvērtīgākā - DNS secībā šifrēta ģenētiskā informācija.

Ja nebūtu kodolmembrānas, tad mutāciju skaits un neveiksmes koda nolasīšanā vienkārši neļautu šūnai dzīvot. Bet, neskatoties uz dubulto membrānu, kas ieskauj hromosomas,

Ģenētiskais aparāts nav izolēts: dažādu veidu RNS pastāvīgi atstāj kodolu, regulējot proteīnu sintēzi, savukārt signāli, kas aktivizē transkripcijas faktorus, iekļūst iekšā.

Tāpat kā ar “lielākām” barjerām, kas darbojas visa organisma līmenī, arī kodolbarjerai ir selektīva caurlaidība: piemēram, taukos šķīstošās molekulas, vai tie būtu steroīdie hormoni vai noteiktas zāles, viegli iekļūst pašā membrānā, kas. ir vairāk kā plānas eļļas plēve ar starpiem.

Bet nukleīnskābes, olbaltumvielas un citi hidrofilie savienojumi ir lemti iziet caur īpašiem kanāliem - kodolporām. Neskatoties uz cauri ejošo molekulu daudzveidību, pašas poras lielākajā daļā organismu ir diezgan konservatīvi strukturētas un sastāv no iekšēja kanāla un simetriskām ārējām daļām, līdzīgi kā olbaltumvielu molekulas, kas atrodas astoņstūra virsotnēs.

Kā parādīja Hetzers un publikācijas Cell līdzautori, laika gaitā šīs poras sāk “izplūst”, kas izraisa “pamanāmākas” sekas - amiloīda plāksnīšu nogulsnēšanos gar smadzeņu asinsvadiem, skrimšļa iznīcināšanu locītavām un sirds “pasliktināšanās”.

Izmantojot muskuļu šūnu piemēru un pēc tam visu nematodes C. elegans ķermeni, zinātnieki pierādīja, ka kodolkanāla perifērā daļa tiek regulāri atjaunota, savukārt centrālā daļa tiek atjaunota tikai šūnu dalīšanās laikā, kuras laikā tiek veikta kodola membrāna. vispirms iznīcināta un pēc tam atkal izveidota. Attiecīgi kodola poras pakāpeniski “nolietojas”, bet atšķirībā no citām intracelulārām sistēmām tās netiek atjaunotas, kas noved pie “noplūdes”. Tā rezultātā kodolā nonāk ne tikai mutagēni, bet arī citas molekulas, kas traucē ģenētiskā aparāta darbību.

Ja runa ir par nepārtrauktu ādas šūnu vai zarnu epitēlija atjaunošanos, tad tāda problēma nerodas, bet kā ir ar nervu vai muskuļu šūnām, kas praktiski nedalās visu mūžu? Nav pārsteidzoši, ka to metabolisms ir saistīts ne tikai ar “signāliem” no kodola, bet arī ar izveidotām reakciju kaskādēm, kurām nav nepieciešama ātra ģenētiskā aparāta iejaukšanās.

Hetzera atklājums nekļuva par vēl vienu “pašpietiekamu” hipotēzi novecošanas teorijā. Zinātnieki ir pierādījuši, kā reaktīvās skābekļa sugas, kas jau sen ir kļuvušas par gerontologu galveno ienaidnieku, var paātrināt kodola poru nodilumu un līdz ar to arī visas šūnas novecošanos. Mēs varam tikai cerēt, ka sistēma, kas kompensē šīs "noplūdes", joprojām pastāv, un, ja to izdosies atklāt, tas būs jauns pavērsiens aktīvas ilgmūžības izpētē.

Neskatoties uz tā universālumu, novecošanās procesu ir grūti skaidri definēt. Ar vecumu fizioloģiskas un strukturālas izmaiņas notiek gandrīz visās orgānu sistēmās. Novecojot, liela nozīme ir ģenētiskajiem un sociālajiem faktoriem, uztura modeļiem, kā arī ar vecumu saistītām slimībām – aterosklerozei, cukura diabētam, osteoartrītam. Ar vecumu saistīti šūnu bojājumi ir arī svarīga novecojoša ķermeņa sastāvdaļa.

Ar vecumu pakāpeniski cieš vairākas šūnu funkcijas. Mitohondrijās samazinās oksidatīvās fosforilēšanās aktivitāte, enzīmu un šūnu receptoru sintēze. Novecojošajām šūnām ir samazināta spēja absorbēt barības vielas un labot hromosomu bojājumus. Morfoloģiskās izmaiņas novecojošās šūnās ietver neregulārus un lobulētus kodolus, polimorfus vakuolētus mitohondrijus, endoplazmatiskā retikuluma samazināšanos un lamelārā kompleksa deformāciju. Tajā pašā laikā uzkrājas lipofuscīna pigments.

Šūnu novecošanās ir daudzfaktoru process. Tas ietver šūnu novecošanas endogēnās molekulārās programmas, kā arī eksogēnas ietekmes, kas izraisa progresīvus traucējumus šūnu izdzīvošanas procesos.

Šūnu novecošanās fenomens tiek intensīvi pētīts in vitro eksperimentos. Ir pierādīts, ka novecojošās šūnās tiek aktivizēti novecošanai raksturīgie gēni, tiek bojāti augšanu regulējošie gēni, tiek stimulēti augšanas inhibitori, kā arī tiek aktivizēti citi ģenētiskie mehānismi.

Tiek pieņemts, ka gēnu defektus var izraisīt hromosomu telomērs saīsinājums. Telomēriem ir svarīga loma hromosomu gala daļu stabilizēšanā un pievienošanā kodolmatricai. Piemēram, telomēru garums samazinās šūnu kultūras pēdējos fragmentos un vecāka gadagājuma cilvēku šūnu kultūrā. Ir atrasta saistība starp telomēra garumu un telomerāzes aktivitāti.

Iegūtie šūnu bojājumi novecošanas laikā notiek brīvo radikāļu ietekmē. Šo bojājumu cēloņi var būt jonizējošā starojuma iedarbība vai pakāpeniska antioksidantu aizsardzības mehānismu, piemēram, E vitamīna, glutationa peroksidāzes, aktivitātes samazināšanās. Šūnu bojājumus no brīvajiem radikāļiem pavada lipofuscīna uzkrāšanās, bet pats pigments nav toksisks šūnai. Turklāt SPOL un brīvie radikāļi izraisa nukleīnskābju bojājumus gan kodolā, gan mitohondrijās. Mitohondriju DNS mutācijas un iznīcināšana kļūst dramatiska līdz ar vecumu. Brīvie skābekļa radikāļi arī katalizē olbaltumvielu, tostarp enzīmu, modifikāciju veidošanos, padarot tās jutīgas pret citozolā esošo neitrālo un sārmaino proteāžu kaitīgo iedarbību, kas izraisa turpmākus šūnu funkciju traucējumus.

Ar vecumu notiek arī pēctranslācijas izmaiņas intracelulārajos un ārpusšūnu proteīnos. Viens no šādu izmaiņu veidiem ir proteīnu neenzimātiskā glikozilēšana. Piemēram, ar vecumu saistīta lēcu proteīnu glikozilācija ir senils kataraktas pamatā.

Visbeidzot, ir pierādījumi par traucētu stresa proteīnu veidošanos in vitro izmēģinājuma dzīvniekiem novecošanas laikā. Stresa proteīnu veidošanās ir vissvarīgākais aizsardzības mehānisms pret dažādiem spriegumiem.

Šūnu novecošanās ir daudzfaktoru process, un zinātniekiem tas ir rūpējis kopš neatminamiem laikiem. Šis process ietver šūnu novecošanas endogēnās molekulārās programmas, kā arī eksogēnas ietekmes, kas izraisa progresīvus traucējumus šūnu izdzīvošanas procesos.

Ar vecumu pakāpeniski cieš vairākas šūnu funkcijas. Novecojošajām šūnām ir samazināta spēja absorbēt barības vielas un labot hromosomu bojājumus. Morfoloģiskās izmaiņas novecojošās šūnās, kurās samazinās oksidatīvās fosforilēšanās aktivitāte mitohondrijos un to vakuolizācija, samazinās endoplazmatiskais tīklojums, samazinās enzīmu un šūnu receptoru sintēzes aktivitāte. Kādas transformācijas notiek šūnas kodolā novecošanās procesā.

ŠŪNAS KODOLS ir ģenētiskā materiāla uzglabāšanas un ieviešanas vieta - proteīnu sintēzes procesu uzbūves un regulēšanas plāni šūnā.

GALVENĀ KODULA KOMPONENTES IR:

• kodola membrāna;
• hromatīns;
• kodols;
• kodolmatrica.

Kodols vienmēr ir lokalizēts noteiktā šūnas vietā. Galvenās funkcijas, ko veic šūnas kodols, ir ģenētiskās informācijas uzglabāšana, izmantošana un pārraide. Turklāt kodols ir atbildīgs par ribosomu apakšvienību veidošanos.

Kodols šūnā var būt divos stāvokļos: mitotiskā (dalīšanās laikā) un starpfāzē (starp dalīšanās). Interfāzes laikā, zem mikroskopa, dzīvas šūnas kodolā ir redzams tikai kodols, un tas šķiet optiski tukšs. Kodola struktūras pavedienu un graudu veidā var novērot tikai tad, kad šūna ir pakļauta kaitīgiem faktoriem, kad tā pāriet robežstāvoklī starp dzīvību un nāvi. No šī stāvokļa šūna var atgriezties normālā dzīvē vai nomirt.

KODOLMEMBRANA - galvenā funkcija ir barjera. Tas ir atbildīgs par kodola satura atdalīšanu no citoplazmas, makromolekulu brīvas transportēšanas ierobežošanu starp kodolu un citoplazmu, kā arī intranukleāras kārtības veidošanu – fiksējošo hromosomu materiālu. Kodola apvalks sastāv no ārējās un iekšējās kodola membrānas.

Kodola apvalka ārējai membrānai, kas ir tiešā saskarē ar šūnas citoplazmu, ir vairākas strukturālas iezīmes, kas ļauj to klasificēt kā daļu no paša endoplazmatiskā tīkla membrānas sistēmas. Pirmkārt, šādas pazīmes ietver daudzu poliribosomu klātbūtni hialoplazmas pusē, un pati ārējā kodola membrāna var tieši pārveidoties par granulētā endoplazmatiskā retikuluma membrānām.

Iekšējā kodola membrāna ir saistīta ar kodola hromosomu materiālu. Karioplazmas pusē tā sauktais fibrilārais slānis, kas sastāv no fibrilām, atrodas blakus iekšējai kodola membrānai, taču tas nav raksturīgs visām šūnām.

Kodola apvalks nav nepārtraukts. Tajā ir kodola poras, kas veidojas divu kodolmembrānu saplūšanas rezultātā. Šajā gadījumā tiek veidoti apaļi caurumi. Šie caurumi kodola apvalkā ir piepildīti ar sarežģītām lodveida un fibrilārām struktūrām. Kodolporu skaits ir atkarīgs no šūnu vielmaiņas aktivitātes: jo intensīvāki šūnā notiek sintētiskie procesi, jo vairāk poru uz šūnas kodola virsmas vienību.

HROMATĪNS(no grieķu hroma — krāsa, krāsa) ir starpfāžu kodola galvenā struktūra. Ķīmiski tas ir proteīnu un DNS komplekss ar dažādas spirāles (vērpšanas) pakāpes. DNS ir nukleotīdu secība, individuāla un unikāla ikvienam. Tas ir unikāls šifrs jeb kods, kas nosaka organisma uzbūves, funkcionēšanas un attīstības (novecošanās) īpašības. Tas ir, novecošanas īpašības ir iedzimtas.

Morfoloģiski izšķir divus hromatīna veidus: heterohromatīnu un eihromatīnu. Heterohromatīns atbilst hromosomu reģioniem, kas daļēji kondensēti starpfāzē un ir funkcionāli neaktīvi. Eihromatīns- tās ir hromosomu sekcijas, kas dekondensētas starpfāzē, funkcionāli aktīvajā hromatīnā.

Mitozes laikā viss eihromatīns tiek maksimāli kondensēts un kļūst par daļu no hromosomām. Šajā periodā hromosomas neveic nekādas sintētiskas funkcijas. Dažreiz dažos gadījumos visa hromosoma starpfāzes laikā var palikt kondensētā stāvoklī, un tai ir gluda heterohromatīna izskats. Piemēram, viena no sievietes ķermeņa somatisko šūnu X hromosomām sākotnējās embrioģenēzes stadijās (fragmentācijas laikā) tiek pakļauta heterohromatizācijai un nedarbojas. Šo hromatīnu sauc par dzimumhromatīnu vai Barra ķermeņiem.

Hromatīna proteīni veido 60-70% no tā sausās masas, un tos pārstāv divas grupas:

• histona proteīni;
• nehistona proteīni.

Histonu proteīni(histoni) ir sārmaini proteīni, kas satur pamata aminoskābes (galvenokārt lizīnu, arginīnu). Tie ir izvietoti nevienmērīgi bloku veidā visā DNS molekulas garumā. Viens bloks satur 8 histona molekulas, kas veido nukleozomu. Nukleosoma veidojas, sablīvējot un supercoiling DNS.

Nehistonu proteīni veido 20% no histonu daudzuma un starpfāzu kodolos veido strukturālu tīklu kodola iekšpusē, ko sauc par kodolproteīna matricu. Šī matrica attēlo sastatnes, kas nosaka kodola morfoloģiju un metabolismu.

Nucleolus- kodola blīvākā struktūra, tas ir hromosomas atvasinājums, viens no tās lokusiem ar visaugstāko koncentrāciju un aktīvo RNS sintēzi starpfāzē, bet nav neatkarīga struktūra vai organelle.

Kodolam ir neviendabīga struktūra un tas sastāv no divām galvenajām sastāvdaļām - granulu un fibrilāru. Granulēto komponentu attēlo granulas (nobriedušas ribosomu apakšvienības), un tā ir lokalizēta gar perifēriju. Fibrilārais komponents ir ribosomu prekursoru ribonukleoproteīnu virknes, kas koncentrējas kodola centrālajā daļā.

Nukleolu ultrastruktūra ir atkarīga no RNS sintēzes aktivitātes: augstā sintēzes līmenī kodolā tiek atklāts liels granulu skaits; kad sintēze apstājas, granulu skaits samazinās, un nukleoli pārvēršas par blīvām fibrilārām bazofīlajām virknēm. daba.

KODOLMATRICA (karioplazma) ir kodola šķidrā daļa, kas aizpilda telpu starp hromatīnu un nukleoliem.

Karioplazma sastāv galvenokārt no olbaltumvielām, metabolītiem un joniem. Daļa no kodolmatricas ir kodola apvalka šķiedru slānis. Kodolskelets, iespējams, veicina proteīna mugurkaula veidošanos, pie kura ir pievienotas DNS cilpas.

ŠŪNU FIZIOLOĢISKĀ NOVECOŠANA ir neatgriezeniskas izaugsmes apstāšanās stāvoklis. Ķermeņa novecošanās pamats ir šūnu novecošanās. To, savukārt, izraisa genoma reorganizācija, kas notiek telomēru saīsināšanas un DNS remonta sistēmu defektu rezultātā.

Ir pierādīts, ka novecojošās šūnās tiek aktivizēti specifiski gēni, tiek bojāti regulatori un stimulēti augšanas inhibitori, kā arī tiek aktivizēti citi ģenētiskie mehānismi. Zinātnieki norāda, ka gēnu defektus var izraisīt hromosomu telomērs saīsinājums.

Telomēriem ir svarīga loma hromosomu gala daļu stabilizēšanā un pievienošanā kodolmatricai. Telomēru garums samazinās senilu cilvēku šūnās. Atklāta saistība starp telomēra garumu un telomerāzes aktivitāti, kā rezultātā šūnu hromosomu telomēru reģionu garums palielinās vai paliek nemainīgā līmenī.

Novecojušas šūnas neizskatās pēc jaunām, un tas izpaužas kā lieko DNS fragmentu un nepareizu šūnu proteīnu uzkrāšanās, kā arī patoloģisku struktūru parādīšanos kodolā (šūnas kodolā esošo proteīnu un nukleīnskābju kopa) . Arī šīs šūnas ir pakļautas replikatīvai novecošanai, tas ir, tās spēj sadalīties noteiktu skaitu reižu (apmēram 50).

Zinātnieki arī atklāja, ka in Dažos gadījumos ir iespējams atiestatīt skaitītāju. Tajā pašā laikā bija iespējams noskaidrot, kā tiek aktivizēts īpašais gēns NDT80. Lai pārbaudītu šī gēna paredzēto lomu, pētnieki to aktivizēja vecā un nevairojošā šūnā. NDT80 iekļaušana radīja dubultu efektu - šūna dzīvoja divreiz ilgāk nekā parasti, un tika novērsti ar vecumu saistītie defekti kodolā. Tas norāda, ka nukleolu anomālijas satur vienu no šūnu novecošanas atslēgām (otrā atslēga, telomēra, ir daudz labāk pētīta). Diemžēl vēl nav skaidrs, kā darbojas mobilā pulksteņa atiestatīšanas mehānisms. Ir zināms tikai tas, ka NDT80 gēna kodētais proteīns ir transkripcijas faktors, proti, tas kalpo kā trigeris – aktivizē citus šūnā esošos gēnus.

Brīvo radikāļu novecošanas teorijas sekotāji uzskata, ka iegūtie šūnu bojājumi novecošanas laikā notiek brīvo radikāļu ietekmē. Šo bojājumu cēloņi var būt jonizējošā starojuma iedarbība vai pakāpeniska antioksidantu aizsardzības mehānismu, piemēram, E vitamīna, aktivitātes samazināšanās. Turklāt brīvie radikāļi izraisa nukleīnskābju bojājumus gan kodolā, gan mitohondrijās. Mitohondriju DNS mutācijas un iznīcināšana ar vecumu kļūst vienkārši “dramatiska”. Brīvie skābekļa radikāļi arī katalizē olbaltumvielu, tostarp enzīmu, modifikāciju veidošanos, padarot tās jutīgas pret citozolā esošo neitrālo un sārmaino proteāžu kaitīgo iedarbību, kas izraisa turpmākus šūnu funkciju traucējumus.

Ar vecumu notiek arī pēctranslācijas izmaiņas intracelulārajos un ārpusšūnu proteīnos. Viens no šādu izmaiņu veidiem ir proteīnu neenzimātiskā glikozilēšana. Piemēram, ar vecumu saistīta lēcu proteīnu glikozilācija ir senils kataraktas pamatā.

Tādējādi šūnu novecošanās process ir daudzveidīgs. To izraisa dažādi faktori, un tas iet cauri dažādiem signalizācijas ceļiem. Novecošanās process dažādās šūnās ir atšķirīgs, notiek dažādos laika punktos, bet jebkurā gadījumā izraisa disfunkciju un šūnas nāvi. Diskusija par šūnu novecošanās cēloņiem un tās ietekmi uz kopējo organisma novecošanos vēl nav nonākusi, un zinātniekiem vēl jārod atbildes uz daudziem jautājumiem, kas ir svarīgi, lai izstrādātu līdzekļus cīņai pret novecošanos.

• ŠŪNU KOSMĒTIKA CELLCOSMET & CELLMEN (ŠVEICE)
• KOSMĒTIKA "DOCTOR SPIELLER BIOCOSMETIC" ( DR.SPILLER)
• SKAISTUMA INJEKCIJAS

Raksts konkursam “bio/mol/text”: Ir pagājuši vairāk nekā 50 gadi, kopš fibroblastu kultūrās tika pierādīta šūnu novecošanās parādība, bet veco šūnu esamība organismā jau sen ir apšaubīts. Nebija pierādījumu par novecošanu atsevišķas šūnas spēlē svarīgu lomu visa novecošanā ķermeni. Pēdējos gados ir atklāti šūnu novecošanās molekulārie mehānismi un to saistība ar vēzi un iekaisumu. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām iekaisumam ir vadošā loma gandrīz visu ar vecumu saistīto slimību ģenēzē, kas galu galā noved pie ķermeņa nāves. Izrādījās, ka vecās šūnas, no vienas puses, darbojas kā audzēju nomācēji (jo tās neatgriezeniski pārstāj dalīties un samazina apkārtējo šūnu transformācijas risku), no otras puses, veco šūnu specifiskā vielmaiņa var izraisīt iekaisumu un blakus esošo pirmsvēža šūnu deģenerācija par ļaundabīgām. Pašlaik tiek veikti klīniskie pētījumi par zālēm, kas selektīvi iznīcina vecās šūnas orgānos un audos, tādējādi novēršot deģeneratīvas izmaiņas orgānos un vēzi.

Cilvēka ķermenī ir aptuveni 300 šūnu veidu, un tās visas ir sadalītas divās lielās grupās: dažas var dalīties un vairoties (tas ir, tās mitotiski kompetents), un citi - postmitotisks- nedalīties: tie ir neironi, kas sasnieguši galējo diferenciācijas stadiju, kardiomiocīti, granulētie leikocīti un citi.

Mūsu ķermenī ir atjaunojoši audi, kuros ir nepārtraukti dalošu šūnu kopums, kas aizstāj izlietotās vai mirstošās šūnas. Šādas šūnas atrodas zarnu kriptos, ādas epitēlija bazālajā slānī un kaulu smadzenēs (hematopoētiskās šūnas). Šūnu atjaunošanās var notikt diezgan intensīvi: piemēram, saistaudu šūnas aizkuņģa dziedzerī tiek nomainītas ik pēc 24 stundām, kuņģa gļotādas šūnas - ik pēc trim dienām, leikocīti - ik pēc 10 dienām, ādas šūnas - ik pēc sešām nedēļām, aptuveni 70 g proliferācijas. Tievās zarnas šūnas tiek izvadītas no ķermeņa katru dienu.

Cilmes šūnas, kas pastāv gandrīz visos orgānos un audos, spēj dalīties neierobežoti. Audu reģenerācija notiek cilmes šūnu proliferācijas dēļ, kas var ne tikai dalīties, bet arī diferencēties par audu šūnām, kuru reģenerācija notiek. Cilmes šūnas atrodas miokardā, smadzenēs (hipokampā un ožas spuldzēs) un citos audos. Tam ir liels solījums neirodeģeneratīvo slimību un miokarda infarkta ārstēšanā.

Pastāvīgi atjaunojošie audi palīdz palielināt paredzamo dzīves ilgumu. Šūnām daloties, notiek audu atjaunošanās: bojāto vietā nāk jaunas šūnas, savukārt remonts (DNS bojājumu likvidēšana) notiek intensīvāk un audu bojājumu gadījumā iespējama reģenerācija. Nav pārsteidzoši, ka mugurkaulniekiem ir ievērojami ilgāks mūžs nekā bezmugurkaulniekiem – tiem pašiem kukaiņiem, kuru šūnas nedalās pieaugušiem cilvēkiem.

Bet tajā pašā laikā atjaunojošie audi ir pakļauti hiperproliferācijai, kas izraisa audzēju veidošanos, tostarp ļaundabīgus. Tas notiek sakarā ar šūnu dalīšanās disregulāciju un palielinātu mutaģenēzes ātrumu aktīvi dalošajās šūnās. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām, lai šūna iegūtu ļaundabīgo audzēju īpašību, tai nepieciešamas 4–6 mutācijas. Mutācijas notiek reti, un, lai šūna kļūtu par vēzi – tas ir aprēķināts cilvēka fibroblastiem –, jānotiek aptuveni 100 dalīšanās (šāds dalīšanās skaits parasti notiek cilvēkam ap 40 gadu vecumu).

Der atcerēties gan, ka mutācijas ir dažādas mutācijas, un, kā liecina jaunākie genoma pētījumi, katrā paaudzē cilvēks iegūst aptuveni 60 jaunas mutācijas (kuras nebija viņa vecāku DNS). Acīmredzot vairums no tiem ir diezgan neitrāli (sk. “Pagājis vairāk nekā tūkstotis: cilvēka genomikas trešā fāze”). - Ed.

Lai pasargātu sevi no sevis, organismā ir izveidojušies īpaši šūnu mehānismi audzēja nomākšana. Viens no tiem ir replikatīva šūnu novecošana ( novecošanās), kas sastāv no šūnu dalīšanās neatgriezeniskas apturēšanas šūnu cikla G1 stadijā. Novecojot, šūna pārstāj dalīties: tā nereaģē uz augšanas faktoriem un kļūst izturīga pret apoptozi.

Hayflick limits

Šūnu novecošanās fenomenu 1961. gadā pirmo reizi atklāja Leonards Heifliks un kolēģi, izmantojot fibroblastu kultūru. Izrādījās, ka šūnas cilvēka fibroblastu kultūrā labos apstākļos dzīvo ierobežotu laiku un spēj dubultoties aptuveni 50 ± 10 reizes – un šo skaitli sāka saukt par Heiflika robežu. Pirms Heiflika atklājuma valdīja uzskats, ka šūnas ir nemirstīgas, un novecošana un nāve ir visa organisma īpašība.

Šī koncepcija tika uzskatīta par neapgāžamu, galvenokārt pateicoties Kerela eksperimentiem, kurš 34 gadus uzturēja vistas sirds šūnu kultūru (tā tika izmesta tikai pēc viņa nāves). Tomēr, kā izrādījās vēlāk, Kerela kultūras nemirstība bija artefakts, jo kopā ar augļa serumu, kas tika pievienots barotnei šūnu augšanai, tajā nokļuva arī pašas embrionālās šūnas (un, visticamāk, Kerela kultūra bija vairs nav tas, kas bija sākumā).

Vēža šūnas patiešām ir nemirstīgas. Tādējādi HeLa šūnas, kas izolētas 1951. gadā no Henrietta Lacks dzemdes kakla audzēja, joprojām izmanto citologi (jo īpaši tika izstrādāta vakcīna pret poliomielītu, izmantojot HeLa šūnas). Šīs šūnas pat ir bijušas kosmosā.

Aizraujošo stāstu par Henrietas Laksas nemirstību skatiet rakstā “Henretas Laksas nemirstīgās šūnas”, kā arī “HeLa šūnu mantinieki”. - Ed.

Kā izrādījās, Heiflika limits ir atkarīgs no vecuma: jo vecāks ir cilvēks, jo mazāk reižu viņa šūnas dubultojas kultūrā. Interesanti, ka saldētas šūnas, atkausējot un pēc tam kultivējot, atceras dalījumu skaitu pirms sasaldēšanas. Faktiski šūnā ir “dalīšanās skaitītājs”, un, sasniedzot noteiktu robežu (Hayflick robežu), šūna pārtrauc dalīties un kļūst novecojoša. Novecojošām (vecām) šūnām ir specifiska morfoloģija – tās ir lielas, saplacinātas, ar lieliem kodoliem, ļoti vakuolētas, mainās to gēnu ekspresijas profils. Vairumā gadījumu tie ir izturīgi pret apoptozi.

Taču ķermeņa novecošanos nevar reducēt tikai līdz šūnu novecošanai. Tas ir daudz sarežģītāks process. Jaunā ķermenī ir vecas šūnas, bet to ir maz! Kad ar vecumu audos uzkrājas novecojošas šūnas, sākas deģeneratīvi procesi, kas izraisa ar vecumu saistītas slimības. Viens no šo slimību faktoriem ir tā sauktais senils "sterils" iekaisums, kas ir saistīts ar proinflammatorisku citokīnu ekspresiju novecojošās šūnās.

Vēl viens svarīgs faktors bioloģiskajā novecošanā ir hromosomu struktūra un to gali – telomēri.

Telomēru novecošanas teorija

1. attēls. Telomēri ir hromosomu gali. Tā kā cilvēkiem ir 23 hromosomu pāri (tas ir, 46 gabali), ir 92 telomēri.

1971. gadā mūsu tautietis Aleksejs Matvejevičs Olovņikovs ierosināja, ka Heiflika robeža ir saistīta ar lineāro hromosomu gala sekciju “nepietiekamu replikāciju” (tiem ir īpašs nosaukums - telomēri). Fakts ir tāds, ka katrā šūnu dalīšanās ciklā telomēri tiek saīsināti, jo DNS polimerāze nespēj sintezēt DNS kopiju no paša gala. Turklāt Olovņikovs paredzēja eksistenci telomerāze(enzīms, kas pievieno atkārtotas DNS sekvences hromosomu galiem), pamatojoties uz faktu, ka pretējā gadījumā aktīvi dalošajās šūnās DNS ātri tiktu “apēsta” un ģenētiskais materiāls tiktu zaudēts. (Problēma ir tāda, ka telomerāzes aktivitāte izzūd lielākajā daļā diferencēto šūnu.)

Telomēriem (1. att.) ir liela nozīme: tie stabilizē hromosomu galus, kas pretējā gadījumā, kā saka citoģenētiķi, kļūtu “lipīgi”, t.i. uzņēmīgi pret dažādām hromosomu aberācijām, kas izraisa ģenētiskā materiāla degradāciju. Telomēri sastāv no atkārtotām (1000–2000 reižu) sekvencēm (5′-TTAGGG-3′), kas katrā hromosomu galā kopā veido 10–15 tūkstošus nukleotīdu pāru. 3′ galā telomēriem ir diezgan garš vienpavedienu DNS reģions (150–200 nukleotīdi), kas ir iesaistīts laso tipa cilpas veidošanā (2. att.). Vairāki proteīni ir saistīti ar telomēriem, veidojot aizsargājošu "vāciņu" - šo kompleksu sauc patversme(3. att.). Shelterin aizsargā telomērus no nukleāžu darbības un adhēzijas, un acīmredzot tieši tas saglabā hromosomas integritāti.

2. attēls. Telomēru sastāvs un struktūra. Atkārtota šūnu dalīšanās, ja nav telomerāzes aktivitātes, izraisa telomēru saīsināšanu un replikatīva novecošanās.

3. attēls. Telomēra kompleksa struktūra ( patversme). Telomēri ir atrodami hromosomu galos un sastāv no tandēma TTAGGG atkārtojumiem, kas beidzas ar 32-mer vienas virknes pārkari. Saistīts ar telomēru DNS patversme- sešu proteīnu komplekss: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 un POT1.

Neaizsargātos hromosomu galus šūna uztver kā ģenētiskā materiāla bojājumu, kas aktivizē DNS remontu. Telomēru komplekss kopā ar shelterīnu “stabilizē” hromosomu galus, pasargājot visu hromosomu no iznīcināšanas. Novecojošās šūnās kritiska telomēru saīsināšana izjauc šo aizsargfunkciju, un tāpēc sāk veidoties hromosomu aberācijas, kas bieži izraisa ļaundabīgu audzēju. Lai tas nenotiktu, īpaši molekulārie mehānismi bloķē šūnu dalīšanos, un šūna nonāk stāvoklī novecošanās- neatgriezenisks šūnu cikla apstāšanās. Šajā gadījumā tiek garantēts, ka šūna nespēs vairoties, kas nozīmē, ka tā nespēs izveidot audzēju. Šūnās ar pavājinātu novecošanās spēju (kas vairojas, neskatoties uz telomēra disfunkciju), veidojas hromosomu aberācijas.

Telomēru garums un to saīsināšanas ātrums ir atkarīgs no vecuma. Cilvēkiem telomēru garums svārstās no 15 tūkstošiem nukleotīdu pāru (kb) dzimšanas brīdī līdz 5 kb. hroniskām slimībām. Telomēra garums ir maksimālais 18 mēnešu vecumā un pēc tam strauji samazinās līdz 12 kb. līdz piecu gadu vecumam. Pēc tam saīsināšanas ātrums samazinās.

Telomēri dažādiem cilvēkiem saīsinās dažādos ātrumos. Tātad šo ātrumu lielā mērā ietekmē stress. E. Blekbērna (Nobela prēmijas laureāte fizioloģijā vai medicīnā 2009) atklāja, ka sievietēm, kuras pastāvīgi izjūt stresu (piemēram, hroniski slimu bērnu mātēm), ir ievērojami īsāki telomēri, salīdzinot ar viņu vienaudžiem (par aptuveni desmit gadiem!). E. Blekbērna laboratorija ir izstrādājusi komerciālu testu, lai noteiktu cilvēku “bioloģisko vecumu”, pamatojoties uz telomēra garumu.

Interesanti, ka pelēm ir ļoti gari telomēri (50–40 kb, salīdzinot ar 10–15 kb cilvēkiem). Dažiem laboratorijas peļu celmiem telomēra garums sasniedz 150 kb. Turklāt pelēm telomerāze vienmēr ir aktīva, kas neļauj telomēriem saīsināties. Tomēr, kā visi zina, tas nepadara peles nemirstīgas. Ne tikai tas, bet arī audzēji attīstās daudz biežāk nekā cilvēkiem, kas liecina, ka telomēru saīsināšana kā audzēja aizsardzības mehānisms nedarbojas pelēm.

Salīdzinot telomēra garumu un telomerāzes aktivitāti dažādiem zīdītājiem, izrādījās, ka sugām, kurām raksturīga šūnu replikatīva novecošanās, ir ilgāks mūžs un lielāks svars. Tie ir, piemēram, vaļi, kuru dzīves ilgums var sasniegt 200 gadus. Šādiem organismiem replikatīva novecošana ir vienkārši nepieciešama, jo pārāk daudz dalījumu rada daudzas mutācijas, kas kaut kā ir jāapkaro. Jādomā, ka replikatīvā novecošanās ir šāds cīņas mehānisms, ko pavada arī telomerāzes apspiešana.

Diferencētu šūnu novecošana notiek atšķirīgi. Noveco gan neironi, gan kardiomiocīti, bet tie nedalās! Piemēram, tajos uzkrājas lipofuscīns, senils pigments, kas traucē šūnu darbību un izraisa apoptozi. Tauki uzkrājas aknu un liesas šūnās, mums novecojot.

Saikne starp replikatīvo šūnu novecošanos un organisma novecošanos, stingri ņemot, nav pierādīta, taču ar vecumu saistītu patoloģiju pavada arī šūnu novecošanās (4. att.). Vecāka gadagājuma cilvēku ļaundabīgi audzēji galvenokārt ir saistīti ar audu atjaunošanos. Vēzis attīstītajās valstīs ir viens no galvenajiem saslimstības un mirstības cēloņiem, un neatkarīgs vēža riska faktors ir vienkārši... vecums. Nāves gadījumu skaits no audzēju slimībām pieaug eksponenciāli līdz ar vecumu, tāpat kā kopējā mirstība. Tas liecina, ka pastāv būtiska saikne starp novecošanos un kanceroģenēzi.

4. attēls. WI-38 līnijas cilvēka fibroblasti, kas histoķīmiski iekrāsoti, lai noteiktu β-galaktozidāzes aktivitāti. A - jauns; B - vecs (novecojošs).

Telomerāze ir enzīms, kas ir prognozēts

Organismā ir jābūt mehānismam, kas kompensē telomēru saīsināšanu, šādu pieņēmumu izteica A.M. Olovņikovs. Patiešām, 1984. gadā šādu fermentu atklāja Kerola Greidere un nosauca to telomerāze. Telomerāze (5. att.) ir reversā transkriptāze, kas palielina telomēru garumu, kompensējot to nepietiekamo replikāciju. 2009. gadā E. Blekbērnam, K. Greideram un D. Šostakam tika piešķirta Nobela prēmija par šī enzīma atklāšanu un virkni darbu par telomēru un telomerāzes izpēti (sk. "Nevecīgā Nobela prēmija: 2009. gadā tiek godināts darbs pie telomēriem un telomerāzes").

5. attēls. Telomerāze satur katalītisko komponentu (TERT reverso transkriptāzi), telomerāzes RNS (hTR vai TERC), kas satur divas telomēra atkārtojuma kopijas un ir telomēru sintēzes veidne, un proteīna diskerīnu.

Pēc E. Blekbērna teiktā, telomerāze ir iesaistīta aptuveni 70 gēnu aktivitātes regulēšanā. Telomerāze ir aktīva dīgļu un embriju audos, cilmes un proliferējošās šūnās. Tas ir atrodams 90% vēža audzēju, kas nodrošina vēža šūnu nekontrolējamu vairošanos. Pašlaik starp zālēm, ko lieto vēža ārstēšanai, ir telomerāzes inhibitors. Bet lielākajā daļā pieauguša organisma somatisko šūnu telomerāze nav aktīva.

Šūnu novecošanās stāvoklī var novest daudzi stimuli – telomēra disfunkcija, DNS bojājumi, ko var izraisīt mutagēnas vides ietekmes, endogēnie procesi, spēcīgi mitogēnie signāli (onkogēnu Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 pārmērīga ekspresija) uc), hromatīna traucējumi, stress utt. Faktiski šūnas pārstāj dalīties — kļūst novecojošas, reaģējot uz potenciāli vēzi izraisošiem notikumiem.

Genoma aizbildnis

Telomēru disfunkcija, kas rodas, kad tie tiek saīsināti vai tiek traucēta shelterīna darbība, aktivizē p53 proteīnu. Šis transkripcijas faktors noved šūnu novecošanās stāvoklī vai izraisa apoptozi. Ja nav p53, attīstās hromosomu nestabilitāte, kas raksturīga cilvēka karcinomām. Mutācijas p53 proteīnā ir konstatētas 50% krūšu adenokarcinomu un 40–60% kolorektālo adenokarcinomu. Tāpēc p53 bieži sauc par "genoma sargu".

Telomerāze tiek atkārtoti aktivizēta lielākajā daļā epitēlija izcelsmes audzēju, kas rodas gados vecākiem cilvēkiem. Tiek uzskatīts, ka telomerāzes atkārtota aktivizēšana ir svarīgs solis ļaundabīgos procesos, jo tas ļauj vēža šūnām “izaicināt” Heiflika ierobežojumu. Telomēru disfunkcija veicina hromosomu saplūšanu un aberācijas, kas, ja nav p53, visbiežāk izraisa ļaundabīgu audzēju.

Par šūnu novecošanas molekulārajiem mehānismiem

6. attēls. Šūnu cikla diagramma.Šūnu cikls ir sadalīts četros posmos: 1.G1(pirmssintētiskais) - periods, kad šūna gatavojas DNS replikācijai. Šajā posmā var rasties šūnu cikla apstāšanās, ja tiek konstatēti DNS bojājumi (remonta laikā). Ja tiek konstatētas kļūdas DNS replikācijā un tās nevar labot, šūna nenonāk S stadijā. 2.S(sintētisks) - kad notiek DNS replikācija. 3. G2(postsintētiskā) - šūnas sagatavošana mitozei, kad tiek pārbaudīta DNS replikācijas precizitāte; ja tiek atklāti nepietiekami replikēti fragmenti vai citi sintēzes traucējumi, pāreja uz nākamo stadiju (mitoze) nenotiek. 4. M(mitoze) - šūnu vārpstas veidošanās, segregācija (hromosomu diverģence) un divu meitas šūnu veidošanās (pats dalīšanās).

Lai izprastu molekulāros mehānismus šūnas pārejai uz novecošanās stāvokli, atgādināšu, kā notiek šūnu dalīšanās.

Šūnu reprodukcijas procesu sauc par proliferāciju. Laiku, kad šūna pastāv no dalīšanās līdz dalīšanai, sauc par šūnu ciklu. Proliferācijas procesu regulē gan pati šūna – autokrīni augšanas faktori –, gan tās mikrovide – parakrīnie signāli.

Proliferācijas aktivizēšana notiek caur šūnu membrānu, kurā atrodas receptori, kas uztver mitogēnos signālus – tie galvenokārt ir augšanas faktori un starpšūnu kontakta signāli. Augšanas faktoriem parasti ir peptīdu raksturs (līdz šim ir zināmi aptuveni 100 no tiem). Tie ir, piemēram, trombocītu augšanas faktors, kas iesaistīts trombu veidošanā un brūču dzīšanai, epitēlija augšanas faktors, dažādi citokīni – interleikīni, audzēja nekrozes faktors, koloniju stimulējošie faktori u.c. Pēc proliferācijas aktivizācijas šūna iziet no G0 miera fāzes un sākas šūnu cikls (6. att.).

Šūnu ciklu regulē no ciklīna atkarīgās kināzes, kas katrā šūnu cikla posmā ir atšķirīgas. Tos aktivizē ciklīni un inaktivē vairāki inhibitori. Šādas sarežģītas regulēšanas mērķis ir nodrošināt DNS sintēzi ar pēc iespējas mazākām kļūdām, lai meitas šūnām būtu absolūti identisks iedzimtības materiāls. DNS kopēšanas pareizības pārbaude tiek veikta četros cikla “kontrolpunktos”: ja tiek konstatētas kļūdas, šūnu cikls apstājas un tiek aktivizēts DNS remonts. Ja DNS struktūras bojājumus var novērst, šūnu cikls turpinās. Ja nē, šūnai ir labāk “izdarīt pašnāvību” (ar apoptozi), lai izvairītos no iespējas kļūt par vēzi.

Molekulāros mehānismus, kas izraisa neatgriezenisku šūnu cikla apstāšanos, kontrolē audzēja supresoru gēni, tostarp p53 un pRB, kas saistīti ar ciklīna atkarīgiem kināzes inhibitoriem. Šūnu cikla nomākšanu G1 fāzē veic p53 proteīns, kas darbojas caur ciklīna atkarīgās kināzes p21 inhibitoru. Transkripcijas faktoru p53 aktivizē DNS bojājumi, un tā funkcija ir noņemt no replikācijas šūnu kopas tās, kas ir potenciāli onkogēnas (tātad segvārds p53 - “genoma aizbildnis”). Šo ideju apstiprina fakts, ka p53 mutācijas tiek konstatētas ~ 50% ļaundabīgo audzēju. Vēl viena p53 aktivitātes izpausme ir saistīta ar visvairāk bojāto šūnu apoptozi.

Šūnu novecošanās un ar vecumu saistītas slimības

7. attēls. Saistība starp šūnu novecošanos un ķermeņa novecošanos.

Novecojošās šūnas uzkrājas ar vecumu un veicina ar vecumu saistītas slimības. Tie samazina audu proliferācijas potenciālu un noārda cilmes šūnu kopumu, kas izraisa deģeneratīvus audu traucējumus un samazina spēju atjaunoties un atjaunoties.

Novecojošām šūnām raksturīga specifiska gēnu ekspresija: tās izdala iekaisuma citokīnus un metaloproteināzes, kas iznīcina starpšūnu matricu. Izrādās, ka vecas šūnas nodrošina gausu senilu iekaisumu, un veco fibroblastu uzkrāšanās ādā izraisa ar vecumu saistītu brūču dzīšanas spēju samazināšanos (7. att.). Vecās šūnas arī stimulē blakus esošo pirmsvēža šūnu proliferāciju un ļaundabīgo audzēju veidošanos, izdalot epitēlija augšanas faktoru.

Novecojošās šūnas uzkrājas daudzos cilvēka audos un atrodas aterosklerozes plāksnēs, ādas čūlās, artrozes locītavās, kā arī labdabīgos un preneoplastiskos prostatas un aknu hiperproliferatīvos bojājumos. Kad vēža audzēji tiek apstaroti, dažas šūnas nonāk arī novecošanās stāvoklī, tādējādi nodrošinot slimības recidīvus.

Tādējādi šūnu novecošanās demonstrē negatīvās pleiotropijas efektu, kuras būtība ir tāda, ka tas, kas ir labs jaunam organismam, var kļūt par sliktu vecam. Visspilgtākais piemērs ir iekaisuma procesi. Izteikta iekaisuma reakcija veicina jaunā organisma ātru atveseļošanos no infekcijas slimībām. Vecumā aktīvi iekaisuma procesi izraisa ar vecumu saistītas slimības. Tagad ir vispāratzīts, ka iekaisumam ir izšķiroša loma gandrīz visās ar vecumu saistītās slimībās, sākot ar neirodeģeneratīvām.