Morfologiczne oznaki starzenia się komórek. Starzenie się komórek (in vitro)

Dziś nauka zwana cytogerontologią bada rozmnażanie i starzenie się komórek. Naukowcom udało się ustalić, że istnieje nie tylko prosty proces naturalnego starzenia się komórek i późniejszej ich śmierci, ale można go także zaprogramować na poziomie genetycznym.

Proces ten, jak opisano powyżej, nazywany jest także „apoptozą”. Program ten został opracowany na poziomie genetycznym każdej osoby, a jego głównym celem jest pozbycie się z organizmu nadmiaru materiału komórkowego, który nie jest już potrzebny.

Do chwili obecnej naukowcom udało się jednocześnie przedstawić kilka teorii na temat dokładnego przebiegu procesu starzenia się komórek w organizmie.

Dziś naukowcy dość aktywnie prowadzą różne badania, podczas których badają proces starzenia się komórek tkanki łącznej ludzkiego ciała. Komórki te są rozmieszczone w całym ciele i biorą bezpośredni i dość aktywny udział w prawie wszystkich procesach metabolicznych organizmu, które są ważne dla życia człowieka.

Istnieje grupa naukowców, którzy mają niemal stuprocentową pewność, że komórki tkanki łącznej czy fibroblasty dosłownie „zmuszają” do starzenia się wszystkie inne układy, a także komórki ludzkiego organizmu. Oznacza to, że jednoczesne starzenie się całego organizmu następuje jednocześnie.

Dzięki trwającym badaniom naukowcom udało się ustalić, że mutacje odgrywają również pewną rolę w procesie starzenia się komórek organizmu. Przecież, jak wiadomo, mitochondria stopniowo gromadzą się w DNA, pojawiając się właśnie w wyniku pewnych mutacji.

W procesie niszczenia komórek ważną rolę odgrywa również specyficzne białko, takie jak białko p53. Na przykład, jeśli w wyniku pewnych okoliczności w organizmie człowieka pojawią się komórki nowotworowe, natychmiast aktywuje się apoptoza, czyli proces ich naturalnego zniszczenia.

Udało się również dokładnie ustalić, jaką rolę odgrywa ten proces w starzeniu się komórek, jednak do chwili obecnej naukowcom nie udało się w pełni ustalić tej teorii, dlatego jest ona czysto teoretyczna. Na mięśniach przeprowadza się różne badania i za każdym razem naukowcy uzyskują całkowicie sprzeczne wyniki.

Jest jeszcze jeden ważny czynnik, który ma bezpośredni wpływ na proces starzenia się komórek w organizmie człowieka – zachodząca stopniowo degradacja komórek limfocytów. Badania przeprowadzono na naczelnych, a wyniki wykazały, że jeśli codzienna dieta zawiera minimalną ilość kalorii, to starzenie się komórek odpornościowych w naturalny sposób ulegnie spowolnieniu.

Jednocześnie substancja wchodząca w skład krwi i objawiająca się już na początku stanu zapalnego może także spowolnić proces ich starzenia – jest to wyjątkowe białko C reaktywne. Zakażenie niebezpiecznymi onkowirusami może skutkować szybkim procesem naturalnego obumierania układu odpornościowego, przez co system obronny organizmu zaczyna cierpieć.

Młodość komórek, a także całego organizmu ludzkiego jest bezpośrednio związana z tak wyjątkową substancją, jak telomeraza. Substancja ta jest jednym ze specjalnych enzymów, które mają zdolność dodawania unikalnych odcinków cząsteczek DNA, które można powtarzać. W wyniku tego procesu komórki mogą uzyskać taką cechę, jak dosłownie nieskończona reprodukcja, po czym nie umrą, ale będą dalej się dzielić.

Na przykład dość wysoką aktywność tej wyjątkowej substancji (telomerazy) obserwuje się w komórce embrionalnej. To właśnie w wyniku stopniowego wymierania tego enzymu nastąpi starzenie się komórek.

Ostatnie dwa, trzy lata to dosłownie lata przełomowe dla gerontologii. Najpierw naukowcy znaleźli sposób na przedłużenie życia drożdży, robaków, a nawet myszy poprzez post, a następnie odkryli kilka genów, które mogą przedłużyć aktywną długowieczność. Udało się nawet odkryć związek pomiędzy rozwojem układu rozrodczego, tkanką tłuszczową i oczekiwaną długością życia.

Jednak podejście do molekularnych i komórkowych podstaw starzenia się nie zmieniło się od kilku dziesięcioleci: akumulacja mutacji, które nieuchronnie powstają podczas podziału, stopniowe niszczenie białek i wyczerpywanie się systemów „rezerwowych”.

Martinowi Hetzerowi z Instytutu Badań Biologicznych Salka i jego współpracownikom udało się znacząco udoskonalić tę wiedzę:

Za ogólnymi słowami o zużyciu kryje się przynajmniej zaburzenie funkcjonowania porów jądrowych, które zapewniają selektywną wymianę treści pomiędzy jądrem a komórką.

Pomimo mikroskopijnych wymiarów - od pięciu do setek mikrometrów, sama komórka zawiera kilkadziesiąt organelli więcej, z których główną jest jądro, które zapewnia regulację wszystkich procesów wewnątrzkomórkowych, a nawet zewnątrzkomórkowych. Wewnątrz jądra, które może zajmować aż 80% objętości (w plemniku), mieści się to, co najcenniejsze – informacja genetyczna zakodowana w sekwencji DNA.

Gdyby nie błona jądrowa, liczba mutacji i niepowodzeń w czytaniu kodu po prostu nie pozwoliłaby komórce żyć. Ale pomimo podwójnej błony otaczającej chromosomy,

Aparat genetyczny nie jest odizolowany: różne typy RNA stale opuszczają jądro, regulując syntezę białek, natomiast do wnętrza wnikają sygnały aktywujące czynniki transkrypcyjne.

Podobnie jak w przypadku barier „większych”, działających na poziomie całego organizmu, bariera jądrowa również ma selektywną przepuszczalność: np. cząsteczki rozpuszczalne w tłuszczach, czy to hormony steroidowe, czy niektóre leki, z łatwością przenikają przez samą błonę, przez co przypomina raczej cienką warstwę oleju z przerwami.

Ale kwasy nukleinowe, białka i inne związki hydrofilowe są skazane na przechodzenie przez specjalne kanały - pory jądrowe. Pomimo różnorodności cząsteczek, które przez nie przechodzą, u większości organizmów same pory mają dość konserwatywną strukturę i składają się z wewnętrznego kanału i symetrycznych części zewnętrznych, podobnie jak cząsteczki białka znajdujące się na wierzchołkach ośmiokąta.

Jak wykazali Hetzer i współautorzy publikacji w Cell, z czasem pory te zaczynają „wyciekać”, co powoduje bardziej „zauważalne” konsekwencje – odkładanie się blaszek amyloidowych wzdłuż naczyń krwionośnych mózgu, niszczenie chrząstki w stawów i „zanik” serca.

Na przykładzie komórek mięśniowych, a następnie całego ciała nicienia C. elegans, naukowcy wykazali, że obwodowa część kanału jądrowego ulega regularnej odnowie, natomiast część środkowa odbudowuje się dopiero podczas podziału komórki, podczas którego błona jądrowa ulega najpierw zniszczone, a potem uformowane na nowo. W związku z tym pory jądrowe stopniowo „zużywają się”, ale w przeciwieństwie do innych układów wewnątrzkomórkowych nie są odnawiane, co prowadzi do „wycieku”. W rezultacie do jądra dostają się nie tylko mutageny, ale także inne cząsteczki zakłócające funkcjonowanie aparatu genetycznego.

Jeśli chodzi o stale odnawiające się komórki skóry czy nabłonek jelitowy, to taki problem nie pojawia się, natomiast co z komórkami nerwowymi czy mięśniowymi, które praktycznie nie dzielą się przez całe życie? Nic dziwnego, że ich metabolizm jest powiązany nie tylko z „sygnałami” z jądra, ale także z ustalonymi kaskadami reakcji, które nie wymagają szybkiej interwencji aparatu genetycznego.

Odkrycie Hetzera nie stało się kolejną „samowystarczalną” hipotezą w teorii starzenia. Naukowcy wykazali, jak reaktywne formy tlenu, które od dawna stały się głównym wrogiem gerontologów, mogą przyspieszyć zużycie porów jądrowych, a wraz z nim starzenie się całej komórki. Możemy mieć tylko nadzieję, że system kompensujący te „wycieki” nadal istnieje, a jeśli uda się go odkryć, będzie to nowy kamień milowy w badaniach nad aktywną długowiecznością.

Pomimo swojej powszechności proces starzenia jest trudny do jednoznacznego zdefiniowania. Z wiekiem zmiany fizjologiczne i strukturalne zachodzą w prawie wszystkich układach narządów. W procesie starzenia ogromne znaczenie mają czynniki genetyczne i społeczne, sposób odżywiania, a także choroby związane z wiekiem – miażdżyca, cukrzyca, choroba zwyrodnieniowa stawów. Uszkodzenia komórek związane z wiekiem są również ważnym elementem starzenia się organizmu.

Z wiekiem wiele funkcji komórkowych stopniowo ulega pogorszeniu. Zmniejsza się aktywność fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, synteza enzymów i receptorów komórkowych. Starzejące się komórki mają zmniejszoną zdolność wchłaniania składników odżywczych i naprawy uszkodzeń chromosomów. Zmiany morfologiczne w starzejących się komórkach obejmują nieregularne i zrazikowe jądra, polimorficzne wakuolowane mitochondria, zmniejszenie retikulum endoplazmatycznego i deformację kompleksu blaszkowego. Jednocześnie gromadzi się pigment lipofuscynowy.

Starzenie się komórek jest procesem wieloczynnikowym. Obejmuje endogenne programy molekularne starzenia się komórek, a także wpływy egzogenne prowadzące do postępującej ingerencji w procesy przeżycia komórek.

Zjawisko starzenia się komórek jest intensywnie badane w doświadczeniach in vitro. Wykazano, że w starzejących się komórkach dochodzi do aktywacji genów odpowiedzialnych za proces starzenia, uszkodzenia genów regulujących wzrost, pobudzenia inhibitorów wzrostu, a także aktywacji innych mechanizmów genetycznych.

Zakłada się, że defekty genów mogą być spowodowane skróceniem telomerów chromosomów. Telomery odgrywają ważną rolę w stabilizacji końcowych części chromosomów i przyłączaniu ich do macierzy jądrowej. Na przykład długość telomerów zmniejsza się w ostatnich pasażach hodowli komórkowej oraz w hodowli komórkowej osób starszych. Stwierdzono związek pomiędzy długością telomerów a aktywnością telomerazy.

Nabyte uszkodzenia komórek w procesie starzenia powstają pod wpływem wolnych rodników. Przyczyną tych uszkodzeń może być narażenie na promieniowanie jonizujące lub postępujący spadek aktywności mechanizmów obrony antyoksydacyjnej, takich jak witamina E, peroksydaza glutationowa. Uszkodzeniom komórek spowodowanym przez wolne rodniki towarzyszy akumulacja lipofuscyny, ale sam pigment nie jest toksyczny dla komórki. Ponadto SPOL i wolne rodniki powodują uszkodzenia kwasów nukleinowych zarówno w jądrze, jak i mitochondriach. Mutacje i niszczenie mitochondrialnego DNA stają się dramatyczne wraz z wiekiem. Wolne rodniki tlenowe katalizują także powstawanie modyfikacji białek, w tym enzymów, czyniąc je wrażliwymi na szkodliwe działanie obojętnych i zasadowych proteaz zawartych w cytozolu, co prowadzi do dalszego zaburzenia funkcji komórek.

Wraz z wiekiem zachodzą także zmiany potranslacyjne w białkach wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych. Jednym z rodzajów takich zmian jest nieenzymatyczna glikozylacja białek. Na przykład związana z wiekiem glikozylacja białek soczewki leży u podstaw zaćmy starczej.

Wreszcie istnieją dowody na upośledzone tworzenie się białek stresu in vitro u zwierząt doświadczalnych podczas starzenia. Najważniejszym mechanizmem ochrony przed różnymi stresami jest powstawanie białek stresowych.

Starzenie się komórek to proces wieloczynnikowy, który interesuje naukowców od niepamiętnych czasów. Proces ten obejmuje zarówno endogenne programy molekularne starzenia się komórek, jak i wpływy egzogenne prowadzące do postępującej ingerencji w procesy przeżycia komórek.

Z wiekiem wiele funkcji komórkowych stopniowo ulega pogorszeniu. Starzejące się komórki mają zmniejszoną zdolność wchłaniania składników odżywczych i naprawy uszkodzeń chromosomów. Zmiany morfologiczne w starzejących się komórkach, w których zmniejsza się aktywność fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach i ich wakuolizacji, zmniejsza się retikulum endoplazmatyczne oraz zmniejsza się aktywność syntezy enzymów i receptorów komórkowych. Jakie przemiany zachodzą w jądrze komórkowym podczas procesu starzenia.

JĄDRO KOMÓRKOWE to miejsce przechowywania i wdrażania materiału genetycznego – plany budowy i regulacji procesów syntezy białek w komórce.

GŁÓWNY KOMPONENTY JĄDRA CZY:

membrana nuklearna;
chromatyna;
jąderko;
matryca jądrowa.

Jądro jest zawsze zlokalizowane w określonym miejscu komórki. Główne funkcje pełnione przez jądro komórkowe to przechowywanie, wykorzystywanie i przekazywanie informacji genetycznej. Ponadto jądro jest odpowiedzialne za tworzenie podjednostek rybosomów.

Jądro w komórce może znajdować się w dwóch stanach: mitotycznym (podczas podziału) i interfazowym (między podziałami). Podczas interfazy pod mikroskopem w jądrze żywej komórki widoczne jest jedynie jąderko, które wydaje się optycznie puste. Struktury jądra w postaci nitek i ziaren można zaobserwować dopiero wtedy, gdy komórka zostanie wystawiona na działanie czynników uszkadzających, gdy przejdzie w stan graniczny życia i śmierci. Z tego stanu komórka może powrócić do normalnego życia lub umrzeć.

MEMBRANA NUKLEARNA - główną funkcją jest bariera. Odpowiada za oddzielenie zawartości jądra od cytoplazmy, ograniczenie swobodnego transportu makrocząsteczek pomiędzy jądrem a cytoplazmą, a także stworzenie porządku wewnątrzjądrowego – utrwalanie materiału chromosomowego. Otoczka jądrowa składa się z zewnętrznej i wewnętrznej błony jądrowej.

Zewnętrzna błona otoczki jądrowej, która ma bezpośredni kontakt z cytoplazmą komórki, ma szereg cech strukturalnych, które pozwalają na zaklasyfikowanie jej jako części układu błonowego samej retikulum endoplazmatycznego. Przede wszystkim do takich cech należy obecność licznych polirybosomów po stronie hialoplazmy, a sama zewnętrzna błona jądrowa może bezpośrednio przekształcić się w błony ziarnistej retikulum endoplazmatycznego.

Wewnętrzna błona jądrowa jest powiązana z materiałem chromosomalnym jądra. Od strony karioplazmy do wewnętrznej błony jądrowej przylega tzw. warstwa włóknista, składająca się z włókienek, ale nie jest to charakterystyczne dla wszystkich komórek.

Otoczka jądrowa nie jest ciągła. Zawiera pory jądrowe, które powstają w wyniku stopienia dwóch błon jądrowych. W tym przypadku powstają okrągłe otwory przelotowe. Te dziury w otoczce jądrowej są wypełnione złożonymi strukturami kulistymi i włóknistymi. Liczba porów jądrowych zależy od aktywności metabolicznej komórek: im intensywniejsze są procesy syntetyczne w komórce, tym więcej porów przypada na jednostkę powierzchni jądra komórkowego.

CHROMATYNA(od greckiego chroma - kolor, farba) jest główną strukturą jądra międzyfazowego. Chemicznie jest to kompleks białek i DNA o różnym stopniu helikalności (skręcenia). DNA to sekwencja nukleotydów, indywidualna i niepowtarzalna dla każdego. Jest to unikalny szyfr lub kod określający cechy budowy, funkcjonowania i rozwoju (starzenia się) organizmu. Oznacza to, że cechy starzenia są dziedziczone.

Morfologicznie wyróżnia się dwa typy chromatyny: heterochromatynę i euchromatynę. Heterochromatyna odpowiada regionom chromosomów częściowo skondensowanym w interfazie i jest funkcjonalnie nieaktywny. Euchromatyna- są to odcinki chromosomów zdekondensowanych w interfazie, funkcjonalnie aktywnej chromatynie.

Podczas mitozy cała euchromatyna jest maksymalnie skondensowana i staje się częścią chromosomów. W tym okresie chromosomy nie pełnią żadnych funkcji syntetycznych. Czasami w niektórych przypadkach cały chromosom może pozostać w stanie skondensowanym podczas interfazy i ma wygląd gładkiej heterochromatyny. Na przykład jeden z chromosomów X komórek somatycznych kobiecego ciała ulega heterochromatyzacji na początkowych etapach embriogenezy (podczas fragmentacji) i nie funkcjonuje. Chromatyna ta nazywana jest chromatyną płciową lub ciałami Barra.

Białka chromatyny stanowią 60-70% jej suchej masy i są reprezentowane przez dwie grupy:

białka histonowe;
białka niehistonowe.

Białka histonowe(histony) to białka zasadowe zawierające zasadowe aminokwasy (głównie lizynę, argininę). Są one rozmieszczone nierównomiernie w postaci bloków na całej długości cząsteczki DNA. Jeden blok zawiera 8 cząsteczek histonów, które tworzą nukleosom. Nukleosom powstaje w wyniku zagęszczenia i superskręcenia DNA.

Białka niehistonowe stanowią 20% ilości histonów i w jądrach międzyfazowych tworzą wewnątrz jądra sieć strukturalną, zwaną jądrową macierzą białkową. Ta macierz reprezentuje rusztowanie, które określa morfologię i metabolizm jądra.

Jądro- najgęstsza struktura jądra, jest pochodną chromosomu, jednego z jego loci o najwyższym stężeniu i aktywnej syntezie RNA w interfazie, ale nie jest niezależną strukturą ani organellą.

Jądro ma niejednorodną strukturę i składa się z dwóch głównych składników - ziarnistego i włóknistego. Składnik ziarnisty jest reprezentowany przez granulki (dojrzewające podjednostki rybosomu) i jest zlokalizowany wzdłuż obwodu. Składnik włóknisty to nici rybonukleoproteinowe prekursorów rybosomów, które są skoncentrowane w centralnej części jąderka.

Ultrastruktura jąderek zależy od aktywności syntezy RNA: przy wysokim poziomie syntezy w jąderku wykrywa się dużą liczbę granulek; po zatrzymaniu syntezy liczba granulek maleje, a jąderka zamieniają się w gęste włókniste pasma bazofilowe. Natura.

MATRYCA JĄDROWA (karioplazma) to płynna część jądra, która wypełnia przestrzeń pomiędzy chromatyną a jąderkami.

Karioplazma składa się głównie z białek, metabolitów i jonów. Częścią macierzy jądrowej jest włóknista blaszka otoczki jądrowej. Szkielet jądrowy prawdopodobnie uczestniczy w tworzeniu szkieletu białkowego, do którego przyczepione są pętle DNA.

FIZJOLOGICZNE STArzenie się KOMÓREK jest stanem nieodwracalnego ustania wzrostu. Podstawą starzenia się organizmu jest starzenie się komórkowe. Co z kolei jest spowodowane reorganizacją genomu zachodzącą w wyniku skracania telomerów i defektów w systemach naprawy DNA.

Udowodniono, że w starzejących się komórkach dochodzi do aktywacji określonych genów, uszkodzenia regulatorów i pobudzenia inhibitorów wzrostu, a także aktywacji innych mechanizmów genetycznych. Naukowcy sugerują, że defekty genów mogą być spowodowane skróceniem telomerów chromosomów.

Telomery odgrywają ważną rolę w stabilizacji końcowych części chromosomów i przyłączaniu ich do macierzy jądrowej. Długość telomerów zmniejsza się w komórkach osób starszych. Odkryto związek pomiędzy długością telomerów a aktywnością telomerazy, w wyniku czego długość regionów telomerowych chromosomów komórkowych wzrasta lub utrzymuje się na stałym poziomie.

Starzejące się komórki nie wyglądają jak młode, co objawia się nagromadzeniem nadmiaru fragmentów DNA i nieprawidłowych białek komórkowych, a także pojawieniem się nieprawidłowych struktur w jąderku (skupisku białek i kwasów nukleinowych zlokalizowanych w jądrze komórkowym). . Ponadto komórki te podlegają starzeniu replikacyjnemu, to znaczy są w stanie dzielić określoną liczbę razy (około 50).

Naukowcy odkryli także, że w W niektórych przypadkach możliwe jest zresetowanie licznika. Jednocześnie udało się dowiedzieć, w jaki sposób aktywowany jest specjalny gen NDT80. Aby zweryfikować zamierzoną rolę tego genu, naukowcy aktywowali go w starej i niereprodukującej się komórce. Włączenie NDT80 przyniosło podwójny efekt – komórka żyła dwukrotnie dłużej niż zwykle, a związane z wiekiem defekty w jąderku zostały skorygowane. Wskazuje to, że nieprawidłowości jąderkowe są jednym z kluczy do starzenia się komórek (drugi klucz, telomer, jest znacznie lepiej zbadany). Niestety nie jest jeszcze jasne, jak działa mechanizm resetowania zegara komórkowego. Wiadomo jedynie, że białko kodowane przez gen NDT80 jest czynnikiem transkrypcyjnym, czyli pełni rolę wyzwalacza – aktywuje inne geny w komórce.

Zwolennicy wolnorodnikowej teorii starzenia uważają, że nabyte uszkodzenia komórek podczas starzenia powstają pod wpływem wolnych rodników. Przyczyną tych uszkodzeń może być narażenie na promieniowanie jonizujące lub postępujący spadek aktywności mechanizmów obrony antyoksydacyjnej, takich jak witamina E. Ponadto wolne rodniki powodują uszkodzenia kwasów nukleinowych zarówno w jądrze, jak i mitochondriach. Mutacje i zniszczenia mitochondrialnego DNA stają się po prostu „dramatyczne” wraz z wiekiem. Wolne rodniki tlenowe katalizują także powstawanie modyfikacji białek, w tym enzymów, czyniąc je wrażliwymi na szkodliwe działanie obojętnych i zasadowych proteaz zawartych w cytozolu, co prowadzi do dalszego zaburzenia funkcji komórek.

Zatem proces starzenia się komórek jest zróżnicowany. Jest wyzwalany przez różne czynniki i przechodzi różnymi ścieżkami sygnalizacyjnymi. Proces starzenia jest różny w różnych komórkach, zachodzi w różnych momentach, ale w każdym przypadku prowadzi do dysfunkcji i śmierci komórki. Nie przeprowadzono jeszcze dyskusji na temat przyczyn starzenia się komórek i jego wpływu na ogólne starzenie się organizmu, a naukowcom nie udało się jeszcze znaleźć odpowiedzi na liczne pytania istotne dla opracowania środków przeciwdziałających starzeniu się.

KOSMETYKI KOMÓRKOWE CELLCOSMET I CELLMEN (SZWAJCARIA)
KOSMETYKI „DOKTOR SPIELLER BIOKOSMETYK” ( DR SPILLER)
ZASTRZYKI PIĘKNOŚCI

Artykuł na konkurs „bio/mol/text”: Minęło ponad 50 lat od udowodnienia zjawiska starzenia się komórek w hodowlach fibroblastów, ale istnienie starych komórek w organizmie od dawna kwestionowana. Nie było dowodów na to, że się starzeje poszczególne komórki odgrywa ważną rolę w starzeniu się wszystkiego ciało. W ostatnich latach odkryto molekularne mechanizmy starzenia się komórek i ich związek z nowotworami i stanami zapalnymi. Według współczesnych koncepcji zapalenie odgrywa wiodącą rolę w genezie niemal wszystkich chorób związanych z wiekiem, które ostatecznie prowadzą do śmierci w organizmie. Okazało się, że stare komórki z jednej strony działają jak supresory nowotworów (ponieważ nieodwracalnie przestają się dzielić i zmniejszają ryzyko transformacji otaczających komórek), a z drugiej strony specyficzny metabolizm starych komórek może powodować stany zapalne i zwyrodnienie sąsiadujących komórek przedrakowych w złośliwe. Obecnie trwają badania kliniczne leków selektywnie eliminujących stare komórki w narządach i tkankach, zapobiegając w ten sposób zmianom zwyrodnieniowym narządów i nowotworom.

W organizmie człowieka istnieje około 300 rodzajów komórek i wszystkie są podzielone na dwie duże grupy: niektóre potrafią się dzielić i rozmnażać (tzn. kompetentny mitotycznie), i inni - postmitotyczny- nie dzielić: są to neurony, które osiągnęły skrajny etap różnicowania, kardiomiocyty, ziarniste leukocyty i inne.

W naszym organizmie znajdują się odnawiające się tkanki, w których znajduje się pula stale dzielących się komórek, które zastępują zużyte lub obumierające komórki. Komórki takie znajdują się w kryptach jelitowych, w warstwie podstawnej nabłonka skóry i w szpiku kostnym (komórki krwiotwórcze). Odnowa komórkowa może przebiegać dość intensywnie: np. komórki tkanki łącznej w trzustce wymieniane są co 24 godziny, komórki błony śluzowej żołądka – co trzy dni, leukocyty – co 10 dni, komórki skóry – co sześć tygodni, około 70 g proliferujących komórek. komórki jelita cienkiego są codziennie usuwane z organizmu.

Komórki macierzyste, które występują w prawie wszystkich narządach i tkankach, mają zdolność do nieograniczonego podziału. Regeneracja tkanek następuje w wyniku proliferacji komórek macierzystych, które mogą nie tylko dzielić, ale także różnicować się w komórki tkanki, której następuje regeneracja. Komórki macierzyste znajdują się w mięśniu sercowym, mózgu (w hipokampie i opuszkach węchowych) oraz w innych tkankach. Jest to bardzo obiecujące w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych i zawału mięśnia sercowego.

Ciągłe odnawianie tkanek pomaga wydłużyć oczekiwaną długość życia. Kiedy komórki się dzielą, następuje odmłodzenie tkanek: nowe komórki zastępują uszkodzone, naprawa (eliminacja uszkodzeń DNA) zachodzi intensywniej, a w przypadku uszkodzenia tkanki możliwa jest regeneracja. Nic dziwnego, że kręgowce żyją znacznie dłużej niż bezkręgowce – te same owady, których komórki nie dzielą się w wieku dorosłym.

Ale jednocześnie odnawiające się tkanki ulegają hiperproliferacji, co prowadzi do powstawania nowotworów, w tym złośliwych. Dzieje się tak z powodu rozregulowania podziału komórek i zwiększonego tempa mutagenezy w aktywnie dzielących się komórkach. Według współczesnych koncepcji, aby komórka nabrała właściwości złośliwości, potrzebuje 4–6 mutacji. Mutacje zdarzają się rzadko, a aby komórka stała się nowotworowa – oblicza się to dla ludzkich fibroblastów – musi nastąpić około 100 podziałów (taka liczba podziałów występuje zwykle u osoby około 40. roku życia).

Warto jednak pamiętać, że mutacje to różne mutacje i według najnowszych badań genomicznych w każdym pokoleniu człowiek nabywa około 60 nowych mutacji (których nie było w DNA jego rodziców). Oczywiście większość z nich jest dość neutralna (patrz „Przeminęło tysiąc: trzecia faza genomiki człowieka”). - wyd.

Aby chronić się przed samym sobą, w organizmie utworzyły się specjalne mechanizmy komórkowe supresja nowotworu. Jednym z nich jest replikacyjne starzenie się komórek ( starzenie się), która polega na nieodwracalnym zatrzymaniu podziału komórkowego na etapie G1 cyklu komórkowego. Wraz z wiekiem komórka przestaje się dzielić: nie reaguje na czynniki wzrostu i staje się odporna na apoptozę.

Limit Hayflicka

Zjawisko starzenia się komórek zostało po raz pierwszy odkryte w 1961 roku przez Leonarda Hayflicka i współpracowników przy użyciu hodowli fibroblastów. Okazało się, że komórki w hodowli ludzkich fibroblastów, w dobrych warunkach, żyją przez ograniczony czas i są w stanie podwoić się około 50 ± 10 razy – i tę liczbę zaczęto nazywać granicą Hayflicka. Przed odkryciem Hayflicka dominował pogląd, że komórki są nieśmiertelne, a starzenie się i śmierć są właściwością organizmu jako całości.

Koncepcję tę uznano za niepodważalną w dużej mierze dzięki eksperymentom Carrela, który przez 34 lata utrzymywał hodowlę komórek serca kurczaka (odrzucono ją dopiero po jego śmierci). Jak się jednak później okazało, nieśmiertelność hodowli Carrela była artefaktem, ponieważ wraz z surowicą płodową, którą dodawano do pożywki hodowlanej w celu wzrostu komórek, przedostały się tam same komórki embrionalne (i najprawdopodobniej kultura Carrela została nie jest już tym, czym był na początku).

Komórki nowotworowe są naprawdę nieśmiertelne. Tak więc komórki HeLa, wyizolowane w 1951 r. z guza szyjki macicy Henrietty Lacks, są nadal wykorzystywane przez cytologów (w szczególności przy użyciu komórek HeLa opracowano szczepionkę przeciwko polio). Komórki te były nawet w kosmosie.

Fascynującą historię nieśmiertelności Henrietty Lacks znajdziesz w artykułach „Nieśmiertelne komórki Henrietty Lacks” oraz „Spadkobiercy komórek HeLa”. - wyd.

Jak się okazało, granica Hayflicka zależy od wieku: im starsza jest dana osoba, tym mniej razy jej komórki podwajają się w hodowli. Co ciekawe, zamrożone komórki po rozmrożeniu i późniejszej hodowli zdają się pamiętać liczbę podziałów przed zamrożeniem. Tak naprawdę wewnątrz komórki znajduje się „licznik podziału” i po osiągnięciu pewnego limitu (limitu Hayflicka) komórka przestaje się dzielić i staje się starsza. Starzejące się (stare) komórki mają specyficzną morfologię – są duże, spłaszczone, z dużymi jądrami, silnie wakuolizowane, a ich profil ekspresji genów ulega zmianie. W większości przypadków są one odporne na apoptozę.

Jednak starzenia się organizmu nie można sprowadzić jedynie do starzenia się komórek. Jest to proces znacznie bardziej złożony. W młodym ciele są stare komórki, ale jest ich niewiele! Kiedy z wiekiem w tkankach gromadzą się starzejące się komórki, rozpoczynają się procesy zwyrodnieniowe, które prowadzą do chorób związanych z wiekiem. Jednym z czynników tych chorób jest tzw. starczość „sterylne” zapalenie, co jest związane z ekspresją cytokin prozapalnych przez starzejące się komórki.

Kolejnym ważnym czynnikiem starzenia biologicznego jest budowa chromosomów i ich końcówek – telomerów.

Telomerowa teoria starzenia

Rycina 1. Telomery to końce chromosomów. Ponieważ ludzie mają 23 pary chromosomów (czyli 46 sztuk), mamy 92 telomery.

W 1971 roku nasz rodak Aleksiej Matwiejewicz Ołownikow zasugerował, że granica Hayflicka jest związana z „niedostateczną replikacją” końcowych odcinków chromosomów liniowych (mają specjalną nazwę - telomery). Faktem jest, że w każdym cyklu podziału komórki telomery ulegają skróceniu ze względu na niezdolność polimerazy DNA do syntezy kopii DNA od samego końca. Ponadto Olovnikov przewidział istnienie telomeraza(enzym, który dodaje powtarzające się sekwencje DNA na końcach chromosomów), bazując na fakcie, że w przeciwnym razie w aktywnie dzielących się komórkach DNA zostałoby szybko „zjedzone”, a materiał genetyczny utracony. (Problem polega na tym, że w większości zróżnicowanych komórek aktywność telomerazy zanika.)

Telomery (ryc. 1) odgrywają ważną rolę: stabilizują końce chromosomów, które w przeciwnym razie, jak twierdzą cytogenetycy, stałyby się „lepkie”, tj. podatne na różne aberracje chromosomowe, co prowadzi do degradacji materiału genetycznego. Telomery składają się z powtarzających się (1000–2000 razy) sekwencji (5′-TTAGGG-3′), co daje łącznie 10–15 tysięcy par nukleotydów na każdym końcu chromosomu. Na końcu 3' telomery posiadają dość długi jednoniciowy region DNA (150–200 nukleotydów), który bierze udział w tworzeniu pętli typu lasso (ryc. 2). Z telomerami związanych jest kilka białek, tworząc ochronną „czapkę” – kompleks ten nazywa się schronienie(ryc. 3). Shelterin chroni telomery przed działaniem nukleaz i adhezją i najwyraźniej to właśnie ona zachowuje integralność chromosomu.

Rycina 2. Skład i struktura telomerów. Powtarzające się podziały komórkowe przy braku aktywności telomerazy prowadzą do skracania telomerów starzenie replikacyjne.

Rysunek 3. Struktura kompleksu telomerowego ( schronisko). Telomery znajdują się na końcach chromosomów i składają się z tandemowych powtórzeń TTAGGG, które kończą się 32-merowym zwisem jednoniciowym. Związany z telomerowym DNA schronienie- kompleks sześciu białek: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 i POT1.

Niezabezpieczone końce chromosomów są odbierane przez komórkę jako uszkodzenie materiału genetycznego, co aktywuje naprawę DNA. Kompleks telomerowy wraz ze schroniną „stabilizuje” końcówki chromosomów, chroniąc cały chromosom przed zniszczeniem. W starzejących się komórkach krytyczne skrócenie telomerów zaburza tę funkcję ochronną, w związku z czym zaczynają się tworzyć aberracje chromosomowe, które często prowadzą do nowotworu. Aby temu zapobiec, specjalne mechanizmy molekularne blokują podział komórki, a komórka przechodzi w stan starzenie się- nieodwracalne zatrzymanie cyklu komórkowego. W takim przypadku komórka ma gwarancję, że nie będzie w stanie się rozmnażać, co oznacza, że nie będzie w stanie wytworzyć guza. W komórkach z upośledzoną zdolnością do starzenia się (które rozmnażają się pomimo dysfunkcji telomerów) powstają aberracje chromosomowe.

Długość telomerów i tempo ich skracania zależą od wieku. U ludzi długość telomerów waha się od 15 tysięcy par nukleotydów (kb) w chwili urodzenia do 5 kb. na choroby przewlekłe. Długość telomerów osiąga maksimum w wieku 18 miesięcy, a następnie gwałtownie maleje do 12 kb. do piątego roku życia. Następnie prędkość skracania maleje.

Telomery skracają się w różnym tempie u różnych osób. Zatem na tę prędkość duży wpływ ma stres. E. Blackburn (laureatka Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 2009) odkryła, że kobiety żyjące w ciągłym stresie (np. matki przewlekle chorych dzieci) mają znacznie krótsze telomery w porównaniu do swoich rówieśniczek (o około dziesięć lat!). W laboratorium E. Blackburna opracowano komercyjny test pozwalający określić „wiek biologiczny” człowieka na podstawie długości telomerów.

Co ciekawe, myszy mają bardzo długie telomery (50–40 kb w porównaniu do 10–15 kb u ludzi). U niektórych szczepów myszy laboratoryjnych długość telomerów sięga 150 kb. Ponadto u myszy telomeraza jest zawsze aktywna, co zapobiega skracaniu się telomerów. Jednak, jak wszyscy wiedzą, nie czyni to myszy nieśmiertelnymi. Co więcej, nowotwory rozwijają się u nich znacznie częściej niż u ludzi, co sugeruje, że skracanie telomerów jako mechanizm obronny nowotworu nie działa u myszy.

Porównując długość telomerów i aktywność telomerazy u różnych ssaków, okazało się, że gatunki charakteryzujące się replikacyjnym starzeniem się komórek charakteryzują się dłuższą żywotnością i większą wagą. Są to na przykład wieloryby, których długość życia może sięgać 200 lat. W przypadku takich organizmów starzenie się replikacyjne jest po prostu konieczne, ponieważ zbyt wiele podziałów generuje wiele mutacji, z którymi należy w jakiś sposób walczyć. Prawdopodobnie takim mechanizmem bojowym jest starzenie replikacyjne, któremu towarzyszy również represja telomerazy.

Starzenie się zróżnicowanych komórek przebiega różnie. Zarówno neurony, jak i kardiomiocyty starzeją się, ale nie dzielą się! Gromadzi się w nich np. lipofuscyna, pigment starczy, który zaburza funkcjonowanie komórek i wyzwala apoptozę. Wraz z wiekiem gromadzi się tłuszcz w komórkach wątroby i śledziony.

Związek między replikacyjnym starzeniem się komórek a starzeniem się organizmu, ściśle mówiąc, nie został udowodniony, ale patologii związanej z wiekiem towarzyszy również starzenie się komórek (ryc. 4). Nowotwory złośliwe u osób starszych są najczęściej związane z odnowionymi tkankami. Nowotwory w krajach rozwiniętych są jedną z głównych przyczyn zachorowalności i umieralności, a niezależnym czynnikiem ryzyka zachorowania na nowotwory jest po prostu… wiek. Liczba zgonów z powodu chorób nowotworowych rośnie wykładniczo wraz z wiekiem, podobnie jak ogólna śmiertelność. To mówi nam, że istnieje fundamentalny związek między starzeniem się a karcynogenezą.

Rycina 4. Ludzkie fibroblasty linii WI-38 barwione histochemicznie na obecność aktywności β-galaktozydazy. A - młody; B - stary (starzejący się).

Telomeraza jest enzymem, który został przewidziany

Musi istnieć w organizmie mechanizm, który kompensuje skracanie telomerów, takie założenie przyjął A.M. Ołownikow. Rzeczywiście, w 1984 roku Carol Greider odkryła taki enzym i nazwała go telomeraza. Telomeraza (ryc. 5) jest odwrotną transkryptazą, która zwiększa długość telomerów, kompensując ich niedostateczną replikację. W 2009 roku E. Blackburn, K. Grader i D. Shostak otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie tego enzymu i szereg prac poświęconych badaniu telomerów i telomerazy (patrz: „ «Ponadczasowa» Nagroda Nobla: za rok 2009 honoruje prace nad telomerami i telomerazą”).

Rysunek 5. Telomeraza zawiera składnik katalityczny (odwrotna transkryptaza TERT), RNA telomerazy (hTR lub TERC), który zawiera dwie kopie powtórzeń telomerowych i jest matrycą do syntezy telomerów oraz białko dyskeryny.

Według E. Blackburna telomeraza bierze udział w regulacji aktywności około 70 genów. Telomeraza jest aktywna w tkankach zarodkowych i embrionalnych, w komórkach macierzystych i proliferujących. Występuje w 90% guzów nowotworowych, co zapewnia niekontrolowany rozrost komórek nowotworowych. Obecnie wśród leków stosowanych w leczeniu nowotworów znajduje się inhibitor telomerazy. Jednak w większości komórek somatycznych dorosłego organizmu telomeraza nie jest aktywna.

Komórkę można wprowadzić w stan starzenia pod wpływem wielu bodźców - dysfunkcji telomerów, uszkodzenia DNA, które mogą być spowodowane mutagennym wpływem środowiska, procesami endogennymi, silnymi sygnałami mitogennymi (nadekspresja onkogenów Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 itp.), zaburzenia chromatyny, stres itp. W rzeczywistości komórki przestają się dzielić – stają się starzejące – w odpowiedzi na zdarzenia potencjalnie rakotwórcze.

Strażnik genomu

Dysfunkcja telomerów, która występuje, gdy są one skrócone lub przerwane schronienie, aktywuje białko p53. Ten czynnik transkrypcyjny wprowadza komórkę w stan starzenia lub powoduje apoptozę. W przypadku braku p53 rozwija się niestabilność chromosomów, charakterystyczna dla ludzkich nowotworów. Mutacje w białku p53 stwierdza się w 50% gruczolakoraków piersi i 40–60% gruczolakoraków jelita grubego. Dlatego p53 jest często nazywany „strażnikiem genomu”.

Telomeraza ulega reaktywacji w większości nowotworów pochodzenia nabłonkowego występujących u osób starszych. Uważa się, że reaktywacja telomerazy jest ważnym krokiem w procesach złośliwych, ponieważ pozwala komórkom nowotworowym „przeciwstawić się” limitowi Hayflicka. Dysfunkcja telomerów sprzyja fuzjom i aberracjom chromosomowym, co przy braku p53 najczęściej prowadzi do nowotworu złośliwego.

O molekularnych mechanizmach starzenia się komórek

Rysunek 6. Schemat cyklu komórkowego. Cykl komórkowy dzieli się na cztery etapy: 1. G1(presyntetyczny) - okres, w którym komórka przygotowuje się do replikacji DNA. Na tym etapie może nastąpić zatrzymanie cyklu komórkowego w przypadku wykrycia uszkodzenia DNA (podczas naprawy). Jeżeli w replikacji DNA zostaną wykryte błędy, których nie da się naprawić metodą naprawy, komórka nie wchodzi w fazę S. 2.S(syntetyczny) - gdy zachodzi replikacja DNA. 3.G2(postsyntetyczny) - przygotowanie komórki do mitozy, podczas której sprawdzana jest dokładność replikacji DNA; w przypadku wykrycia fragmentów niedostatecznie zreplikowanych lub innych zaburzeń syntezy nie następuje przejście do kolejnego etapu (mitozy). 4. M(mitoza) – powstanie wrzeciona komórkowego, segregacja (rozbieżność chromosomów) i powstanie dwóch komórek potomnych (sam podział).

Aby zrozumieć molekularne mechanizmy przejścia komórki w stan starzenia, przypomnę jak zachodzi podział komórki.

Proces reprodukcji komórek nazywany jest proliferacją. Czas istnienia komórki od podziału do podziału nazywa się cyklem komórkowym. Proces proliferacji regulowany jest zarówno przez samą komórkę – autokrynne czynniki wzrostu – jak i jej mikrośrodowisko – sygnały parakrynne.

Aktywacja proliferacji następuje poprzez błonę komórkową, która zawiera receptory odbierające sygnały mitogenne – są to głównie czynniki wzrostu i sygnały kontaktu międzykomórkowego. Czynniki wzrostu mają zazwyczaj charakter peptydowy (obecnie znanych jest około 100 z nich). Są to na przykład czynnik wzrostu płytek krwi, który bierze udział w tworzeniu skrzeplin i gojeniu ran, czynnik wzrostu nabłonka, różne cytokiny - interleukiny, czynnik martwicy nowotworów, czynniki stymulujące tworzenie kolonii itp. Po aktywacji proliferacji komórka wychodzi z fazy spoczynku G0 i rozpoczyna się cykl komórkowy (ryc. 6).

Cykl komórkowy regulowany jest przez kinazy zależne od cyklin, różne dla każdego etapu cyklu komórkowego. Są aktywowane przez cykliny i inaktywowane przez szereg inhibitorów. Celem tak złożonej regulacji jest zapewnienie syntezy DNA z jak najmniejszą liczbą błędów, tak aby komórki potomne miały absolutnie identyczny materiał dziedziczny. Sprawdzenie poprawności kopiowania DNA odbywa się w czterech „punktach kontrolnych” cyklu: w przypadku wykrycia błędów cykl komórkowy zostaje zatrzymany i aktywowana jest naprawa DNA. Jeśli uda się naprawić uszkodzenie struktury DNA, cykl komórkowy będzie kontynuowany. Jeśli nie, lepiej, aby komórka „popełniła samobójstwo” (poprzez apoptozę), aby uniknąć ryzyka nowotworu.

Mechanizmy molekularne prowadzące do nieodwracalnego zatrzymania cyklu komórkowego są kontrolowane przez geny supresorowe nowotworu, w tym p53 i pRB, powiązane z inhibitorami kinaz zależnych od cyklin. Supresję cyklu komórkowego w fazie G1 przeprowadza białko p53, działające poprzez inhibitor cyklinozależnej kinazy p21. Czynnik transkrypcyjny p53 jest aktywowany przez uszkodzenie DNA, a jego funkcją jest usuwanie z puli replikujących się komórek tych, które są potencjalnie onkogenne (stąd przydomek p53 – „strażnik genomu”). Pomysł ten potwierdza fakt, że mutacje p53 stwierdza się w około 50% nowotworów złośliwych. Inny przejaw aktywności p53 jest związany z apoptozą najbardziej uszkodzonych komórek.

Starzenie się komórek i choroby związane z wiekiem

Rycina 7. Zależność pomiędzy starzeniem się komórek a starzeniem się organizmu.

Starzejące się komórki gromadzą się wraz z wiekiem i przyczyniają się do chorób związanych z wiekiem. Zmniejszają potencjał proliferacyjny tkanki i uszczuplają pulę komórek macierzystych, co prowadzi do zaburzeń zwyrodnieniowych tkanek i ogranicza zdolność do regeneracji i odnowy.

Komórki starzejące się charakteryzują się specyficzną ekspresją genów: wydzielają cytokiny zapalne i metaloproteinazy niszczące macierz międzykomórkową. Okazuje się, że stare komórki powodują powolny stan zapalny starczy, a gromadzenie się starych fibroblastów w skórze powoduje związane z wiekiem zmniejszenie zdolności gojenia się ran (ryc. 7). Stare komórki stymulują także proliferację i złośliwość pobliskich komórek przedrakowych poprzez wydzielanie nabłonkowego czynnika wzrostu.

Starzejące się komórki gromadzą się w wielu tkankach ludzkich i są obecne w blaszkach miażdżycowych, owrzodzeniach skóry, artretycznych stawach oraz w łagodnych i przednowotworowych zmianach hiperproliferacyjnych prostaty i wątroby. Kiedy nowotwory nowotworowe są napromieniane, niektóre komórki również wchodzą w stan starzenia, co powoduje nawrót choroby.

Zatem starzenie się komórkowe wykazuje efekt negatywnej plejotropii, której istotą jest to, że to, co jest dobre dla młodego organizmu, może stać się złe dla starego. Najbardziej uderzającym przykładem są procesy zapalne. Wyraźna reakcja zapalna przyczynia się do szybkiego powrotu do zdrowia młodego organizmu po chorobach zakaźnych. W starszym wieku aktywne procesy zapalne prowadzą do chorób związanych z wiekiem. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że stan zapalny odgrywa decydującą rolę w niemal wszystkich chorobach związanych z wiekiem, począwszy od chorób neurodegeneracyjnych.