Sinais morfológicos de envelhecimento celular. Senescência celular (in vitro)

Hoje, a ciência chamada citogerontologia estuda a reprodução e o envelhecimento das células. Os cientistas conseguiram estabelecer que não existe apenas um processo simples de envelhecimento natural das células com a sua subsequente morte, mas também pode ser programado a nível genético.

Este processo também é chamado de “apoptose”, conforme descrito acima. Este programa foi traçado ao nível genético de cada pessoa e tem como principal objetivo livrar o corpo do excesso de material celular que já não é necessário.

Até o momento, os cientistas conseguiram apresentar simultaneamente várias teorias sobre exatamente como pode ocorrer o processo de envelhecimento das células do corpo.

Hoje, os cientistas estão conduzindo ativamente vários estudos, durante os quais estudam o processo de envelhecimento das células do tecido conjuntivo do corpo humano. Essas células estão localizadas em todo o corpo e participam direta e bastante ativamente em quase todos os processos metabólicos do corpo que são importantes para a vida humana.

Há um grupo de cientistas que tem quase cem por cento de certeza de que as células do tecido conjuntivo ou fibroblastos literalmente “forçam” todos os outros sistemas, assim como as células do corpo humano, a envelhecer. Ou seja, o envelhecimento simultâneo de todo o organismo ocorre ao mesmo tempo.

Graças à pesquisa em andamento, os cientistas conseguiram determinar que as mutações também desempenham um certo papel no processo de envelhecimento das células do corpo. Afinal, como se sabe, as mitocôndrias vão se acumulando gradativamente no DNA, surgindo justamente em decorrência de certas mutações.

No processo de destruição celular, uma proteína específica como a proteína p53 também desempenha um papel importante. Por exemplo, se, devido a certas circunstâncias, aparecem células tumorais no corpo humano, a apoptose é ativada instantaneamente, ou seja, o processo de sua destruição natural.

Também foi possível estabelecer exatamente qual o papel que este processo desempenha no envelhecimento celular, mas até à data os cientistas não conseguiram estabelecer totalmente esta teoria, pelo que é puramente teórica. Vários estudos são realizados sobre os músculos, e cada vez os cientistas obtêm resultados completamente contraditórios.

Há outro fator importante que tem impacto direto no processo de envelhecimento das células do corpo humano - a degradação das células linfocitárias, que ocorre gradativamente. Os estudos foram realizados em primatas e os resultados mostraram que, se a dieta diária contiver uma quantidade mínima de calorias, o envelhecimento das células imunológicas diminuirá naturalmente.

Ao mesmo tempo, uma substância que faz parte do sangue e se manifesta no início da inflamação também pode retardar o processo de envelhecimento - esta é uma proteína C reativa única. A infecção por oncovírus perigosos pode resultar no início de um rápido processo de enfraquecimento natural do sistema imunológico; portanto, o sistema de defesa do corpo começa a sofrer.

A juventude das células, assim como de todo o corpo humano, está diretamente relacionada a uma substância tão especial como a telomerase. Esta substância é uma das enzimas especiais que têm a capacidade de adicionar seções únicas de moléculas de DNA que podem ser repetidas. Como resultado desse processo, as células podem adquirir uma característica como a reprodução literalmente infinita, após a qual não morrerão, mas continuarão a se dividir.

Por exemplo, uma atividade bastante elevada desta substância única (telomerase) é observada em uma célula embrionária. É como resultado da extinção gradual desta enzima que ocorrerá o envelhecimento celular.

Os últimos dois ou três anos foram literalmente anos de avanço para a gerontologia. Primeiro, os cientistas encontraram uma maneira de prolongar a vida de leveduras, vermes e até ratos através do jejum, depois encontraram vários genes que podem prolongar a longevidade ativa. Foi ainda possível descobrir uma ligação entre o desenvolvimento do aparelho reprodutor, o tecido adiposo e a esperança de vida.

Mas a abordagem à base molecular e celular do envelhecimento não mudou durante várias décadas: a acumulação de mutações que surgem inevitavelmente durante a divisão, a destruição gradual de proteínas e o esgotamento dos sistemas de “reserva”.

Martin Hetzer, do Instituto Salk de Pesquisa Biológica, e seus colegas conseguiram refinar significativamente esse entendimento:

Por trás das palavras gerais sobre desgaste, há pelo menos uma perturbação no funcionamento dos poros nucleares, que garantem a troca seletiva de conteúdos entre o núcleo e a célula.

Apesar das dimensões microscópicas - de cinco a centenas de micrômetros, a própria célula inclui várias dezenas de organelas, sendo a principal delas o núcleo, que garante a regulação de todos os processos intracelulares e até extracelulares. Dentro do núcleo, que pode ocupar até 80% do volume (do esperma), está localizado o que há de mais valioso - a informação genética criptografada na sequência do DNA.

Se não fosse pela membrana nuclear, o número de mutações e falhas na leitura do código simplesmente não permitiria que a célula vivesse. Mas apesar da membrana dupla que envolve os cromossomos,

O aparato genético não está isolado: vários tipos de RNA saem constantemente do núcleo, regulando a síntese protéica, enquanto sinais que ativam os fatores de transcrição penetram em seu interior.

Tal como acontece com as barreiras “maiores” que actuam ao nível de todo o organismo, a nuclear também tem permeabilidade selectiva: por exemplo, moléculas lipossolúveis, sejam hormonas esteróides ou certos medicamentos, penetram facilmente na própria membrana, o que é mais como uma fina película de óleo intercalada.

Mas os ácidos nucléicos, proteínas e outros compostos hidrofílicos estão condenados a passar por canais especiais - os poros nucleares. Apesar da variedade de moléculas que passam, os próprios poros são estruturados de forma bastante conservadora na maioria dos organismos e consistem em um canal interno e partes externas simétricas, semelhantes às moléculas de proteína localizadas nos vértices de um octógono.

Como mostraram Hetzer e co-autores da publicação na Cell, com o tempo, esses poros começam a “vazar”, o que causa consequências mais “perceptíveis” - a deposição de placas amilóides ao longo dos vasos sanguíneos do cérebro, a destruição da cartilagem em as articulações e a “decrepação” do coração.

Usando o exemplo das células musculares e, em seguida, de todo o corpo do nematóide C. elegans, os cientistas demonstraram que a parte periférica do canal nuclear é renovada regularmente, enquanto a parte central é reconstruída apenas durante a divisão celular, durante a qual a membrana nuclear é primeiro destruído e depois formado novamente. Assim, os poros nucleares gradualmente “desgastam-se”, mas, ao contrário de outros sistemas intracelulares, não são renovados, o que leva ao “vazamento”. Como resultado, não apenas mutagênicos, mas também outras moléculas que perturbam o funcionamento do aparelho genético entram no núcleo.

Se se trata de renovar constantemente as células da pele ou do epitélio intestinal, esse problema não surge, mas e as células nervosas ou musculares que praticamente não se dividem ao longo da vida? Não é de surpreender que o seu metabolismo esteja ligado não apenas a “sinais” do núcleo, mas também a cascatas estabelecidas de reações que não requerem intervenção rápida do aparato genético.

A descoberta de Hetzer não se tornou outra hipótese “autossuficiente” na teoria do envelhecimento. Os cientistas demonstraram como as espécies reativas de oxigênio, que há muito se tornaram o principal inimigo dos gerontologistas, podem acelerar o desgaste dos poros nucleares e, com isso, o envelhecimento de toda a célula. Resta-nos esperar que ainda exista um sistema que compense estas “vazamentos” e, se puder ser descoberto, este será um novo marco no estudo da longevidade ativa.

Apesar da sua universalidade, o processo de envelhecimento é difícil de definir com clareza. Com a idade, ocorrem alterações fisiológicas e estruturais em quase todos os sistemas orgânicos. No envelhecimento, os fatores genéticos e sociais, os padrões nutricionais, bem como as doenças relacionadas à idade - aterosclerose, diabetes, osteoartrite - são de grande importância. Os danos celulares relacionados à idade também são um componente importante do envelhecimento do corpo.

Com a idade, uma série de funções celulares sofrem progressivamente. A atividade da fosforilação oxidativa nas mitocôndrias, a síntese de enzimas e receptores celulares diminui. As células envelhecidas têm uma capacidade reduzida de absorver nutrientes e reparar danos cromossômicos. As alterações morfológicas nas células envelhecidas incluem núcleos irregulares e lobulados, mitocôndrias vacuoladas polimórficas, diminuição do retículo endoplasmático e deformação do complexo lamelar. Ao mesmo tempo, o pigmento lipofuscina se acumula.

O envelhecimento celular é um processo multifatorial. Inclui programas moleculares endógenos de envelhecimento celular, bem como influências exógenas que levam à interferência progressiva nos processos de sobrevivência celular.

O fenômeno do envelhecimento celular está sendo intensamente estudado em experimentos in vitro. Foi demonstrado que nas células envelhecidas, genes específicos do envelhecimento são ativados, genes que regulam o crescimento são danificados, inibidores de crescimento são estimulados e outros mecanismos genéticos também são ativados.

Supõe-se que os defeitos genéticos podem ser causados pelo encurtamento telomérico dos cromossomos. Os telômeros desempenham um papel importante na estabilização das porções terminais dos cromossomos e na sua ligação à matriz nuclear. Por exemplo, o comprimento dos telômeros diminui nas últimas passagens da cultura celular e na cultura celular de idosos. Foi encontrada uma relação entre o comprimento dos telômeros e a atividade da telomerase.

O dano celular adquirido durante o envelhecimento ocorre sob a influência dos radicais livres. As causas desses danos podem ser a exposição à radiação ionizante ou a diminuição progressiva da atividade dos mecanismos de defesa antioxidante, como a vitamina E, a glutationa peroxidase. O dano celular causado pelos radicais livres é acompanhado pelo acúmulo de lipofuscina, mas o pigmento em si não é tóxico para a célula. Além disso, o SPOL e os radicais livres causam danos aos ácidos nucleicos tanto no núcleo como nas mitocôndrias. As mutações e a destruição do DNA mitocondrial tornam-se dramáticas à medida que envelhecemos. Os radicais livres de oxigénio também catalisam a formação de modificações de proteínas, incluindo enzimas, tornando-as sensíveis aos efeitos prejudiciais das proteases neutras e alcalinas contidas no citosol, o que leva a uma maior perturbação das funções celulares.

Alterações pós-traducionais nas proteínas intracelulares e extracelulares também ocorrem com a idade. Um dos tipos de tais alterações é a glicosilação não enzimática de proteínas. Por exemplo, a glicosilação de proteínas do cristalino relacionada à idade está subjacente à catarata senil.

Finalmente, há evidências de formação prejudicada de proteínas de estresse in vitro em animais experimentais durante o envelhecimento. A formação de proteínas do estresse é o mecanismo mais importante de proteção contra diversos estresses.

O envelhecimento celular é um processo multifatorial e preocupa os cientistas desde tempos imemoriais. Este processo envolve programas moleculares endógenos de envelhecimento celular, bem como influências exógenas que levam à interferência progressiva nos processos de sobrevivência celular.

Com a idade, uma série de funções celulares sofrem progressivamente. As células envelhecidas têm uma capacidade reduzida de absorver nutrientes e reparar danos cromossômicos. Alterações morfológicas nas células envelhecidas, nas quais diminui a atividade de fosforilação oxidativa nas mitocôndrias e sua vacuolização, diminui o retículo endoplasmático e diminui a atividade de síntese de enzimas e receptores celulares. Que transformações ocorrem no núcleo da célula durante o processo de envelhecimento.

NÚCLEO CELULARé o local de armazenamento e implementação do material genético - planos para a construção e regulação dos processos de síntese protéica na célula.

PRINCIPAL COMPONENTES DO NÚMERO SÃO:

membrana nuclear;
cromatina;
nucléolo;
matriz nuclear.

O núcleo está sempre localizado em um local específico da célula. As principais funções desempenhadas pelo núcleo celular são o armazenamento, utilização e transmissão de informações genéticas. Além disso, o núcleo é responsável pela formação das subunidades ribossômicas.

O núcleo de uma célula pode estar em dois estados: mitótico (durante a divisão) e interfase (entre as divisões). Durante a interfase, ao microscópio, apenas o nucléolo é visível no núcleo de uma célula viva e parece opticamente vazio. As estruturas do núcleo em forma de fios e grãos só podem ser observadas quando a célula é exposta a fatores danosos, quando passa para o estado limítrofe entre a vida e a morte. A partir deste estado, a célula pode retornar à vida normal ou morrer.

MEMBRANA NUCLEAR - a principal função é barreira. É responsável por separar o conteúdo do núcleo do citoplasma, limitando o transporte livre de macromoléculas entre o núcleo e o citoplasma, além de criar a ordem intranuclear - fixação do material cromossômico. O envelope nuclear consiste em uma membrana nuclear externa e uma interna.

A membrana externa do envelope nuclear, que está em contato direto com o citoplasma da célula, possui uma série de características estruturais que permitem classificá-la como parte do sistema de membranas do próprio retículo endoplasmático. Em primeiro lugar, tais características incluem a presença de numerosos polirribossomos no lado do hialoplasma, e a própria membrana nuclear externa pode transformar-se diretamente nas membranas do retículo endoplasmático granular.

A membrana nuclear interna está associada ao material cromossômico do núcleo. Do lado do carioplasma, a chamada camada fibrilar, composta por fibrilas, fica adjacente à membrana nuclear interna, mas não é característica de todas as células.

O envelope nuclear não é contínuo. Contém poros nucleares, que são formados como resultado da fusão de duas membranas nucleares. Neste caso, são formados furos redondos. Esses buracos no envelope nuclear são preenchidos com estruturas globulares e fibrilares complexas. O número de poros nucleares depende da atividade metabólica das células: quanto mais intensos os processos sintéticos na célula, mais poros por unidade de superfície do núcleo celular.

CROMATINA(do grego croma - cor, tinta) é a estrutura principal do núcleo interfásico. Quimicamente, é um complexo de proteínas e DNA de vários graus de helicidade (torção). O DNA é uma sequência de nucleotídeos, individual e única para cada pessoa. É uma cifra ou código único que determina as características da estrutura, funcionamento e desenvolvimento (envelhecimento) do corpo. Ou seja, as características do envelhecimento são herdadas.

Morfologicamente, distinguem-se dois tipos de cromatina: heterocromatina e eucromatina. Heterocromatina corresponde a regiões cromossômicas parcialmente condensadas em interfase e é funcionalmente inativa. Eucromatina- são seções de cromossomos descondensadas em interfase, cromatina funcionalmente ativa.

Durante a mitose, toda a eucromatina é condensada ao máximo e passa a fazer parte dos cromossomos. Durante este período, os cromossomos não desempenham nenhuma função sintética. Às vezes, em alguns casos, um cromossomo inteiro pode permanecer em estado condensado durante a interfase e tem a aparência de heterocromatina lisa. Por exemplo, um dos cromossomos X das células somáticas do corpo feminino está sujeito à heterocromatização nos estágios iniciais da embriogênese (durante a fragmentação) e não funciona. Essa cromatina é chamada de cromatina sexual ou corpos de Barr.

As proteínas da cromatina constituem 60-70% de sua massa seca e são representadas por dois grupos:

proteínas histonas;
proteínas não-histonas.

Proteínas histonas(histonas) são proteínas alcalinas contendo aminoácidos básicos (principalmente lisina, arginina). Eles estão dispostos de forma desigual na forma de blocos ao longo do comprimento da molécula de DNA. Um bloco contém 8 moléculas de histonas que formam um nucleossomo. O nucleossomo é formado pela compactação e superenrolamento do DNA.

As proteínas não histonas constituem 20% da quantidade de histonas e nos núcleos interfásicos formam uma rede estrutural dentro do núcleo, que é chamada de matriz proteica nuclear. Esta matriz representa a estrutura que determina a morfologia e o metabolismo do núcleo.

Nucléolo- a estrutura mais densa do núcleo, é um derivado do cromossomo, um de seus loci com maior concentração e síntese ativa de RNA em interfase, mas não é uma estrutura ou organela independente.

O nucléolo possui estrutura heterogênea e consiste em dois componentes principais - granular e fibrilar. O componente granular é representado por grânulos (subunidades ribossômicas em maturação) e está localizado ao longo da periferia. O componente fibrilar são os filamentos de ribonucleoproteínas dos precursores do ribossomo, que estão concentrados na parte central do nucléolo.

A ultraestrutura dos nucléolos depende da atividade de síntese de RNA: em um alto nível de síntese, um grande número de grânulos é detectado no nucléolo; quando a síntese é interrompida, o número de grânulos diminui e os nucléolos se transformam em densos filamentos fibrilares de basófilos natureza.

MATRIZ NUCLEAR (carioplasma) é a parte líquida do núcleo que preenche o espaço entre a cromatina e os nucléolos.

O carioplasma consiste principalmente em proteínas, metabólitos e íons. Parte da matriz nuclear é a lâmina fibrosa do envelope nuclear. O esqueleto nuclear provavelmente contribui para a formação de uma estrutura protéica à qual as alças de DNA estão ligadas.

ENVELHECIMENTO FISIOLÓGICO DAS CÉLULASé um estado de cessação irreversível do crescimento. A base do envelhecimento do corpo é o envelhecimento celular. O que, por sua vez, é causado pela reorganização do genoma que ocorre como resultado do encurtamento dos telômeros e de defeitos nos sistemas de reparo do DNA.

Está comprovado que nas células envelhecidas são ativados genes específicos, os reguladores são danificados e os inibidores de crescimento são estimulados, e outros mecanismos genéticos também são ativados. Os cientistas sugerem que os defeitos genéticos podem ser causados pelo encurtamento telomérico dos cromossomos.

Os telômeros desempenham um papel importante na estabilização das porções terminais dos cromossomos e na sua ligação à matriz nuclear. O comprimento dos telômeros diminui nas células de pessoas senis. Foi descoberta uma conexão entre o comprimento dos telômeros e a atividade da telomerase, como resultado da qual o comprimento das regiões teloméricas dos cromossomos celulares aumenta ou permanece em um nível constante.

As células envelhecidas não se parecem com as jovens, e isso se manifesta no acúmulo de fragmentos de DNA em excesso e proteínas celulares incorretas, bem como no aparecimento de estruturas anormais no nucléolo (um aglomerado de proteínas e ácidos nucléicos localizados no núcleo da célula) . Além disso, essas células estão sujeitas ao envelhecimento replicativo, ou seja, são capazes de se dividir um determinado número de vezes (cerca de 50).

Os cientistas também descobriram que em Em alguns casos é possível zerar o contador. Ao mesmo tempo, foi possível descobrir como o gene especial NDT80 é ativado. Para verificar o papel pretendido deste gene, os investigadores activaram-no numa célula antiga e não reprodutora. A inclusão do NDT80 trouxe um efeito duplo - a célula viveu o dobro do normal e os defeitos do nucléolo relacionados à idade foram corrigidos. Isto indica que as anomalias nucleolares são uma das chaves para o envelhecimento celular (a segunda chave, telomérica, é muito melhor estudada). Infelizmente, ainda não está claro como funciona o mecanismo de reajuste do relógio do celular. Sabe-se apenas que a proteína codificada pelo gene NDT80 é um fator de transcrição, ou seja, serve como gatilho – ativa outros genes da célula.

Os seguidores da teoria do envelhecimento dos radicais livres acreditam que o dano celular adquirido durante o envelhecimento ocorre sob a influência dos radicais livres. As causas desses danos podem ser a exposição à radiação ionizante ou o declínio progressivo da atividade de mecanismos de defesa antioxidantes, como a vitamina E. Além disso, os radicais livres causam danos aos ácidos nucléicos tanto no núcleo quanto nas mitocôndrias. Mutações e destruição do DNA mitocondrial tornam-se simplesmente “dramáticas” com a idade. Os radicais livres de oxigénio também catalisam a formação de modificações de proteínas, incluindo enzimas, tornando-as sensíveis aos efeitos prejudiciais das proteases neutras e alcalinas contidas no citosol, o que leva a uma maior perturbação das funções celulares.

Assim, o processo de envelhecimento celular é diverso. É desencadeado por vários fatores e passa por diferentes vias de sinalização. O processo de envelhecimento é diferente em células diferentes, ocorre em momentos diferentes, mas em qualquer caso leva à disfunção e à morte da célula. A discussão sobre as causas do envelhecimento celular e sua influência no envelhecimento global do corpo ainda não foi alcançada e os cientistas ainda não encontraram respostas para inúmeras questões importantes para o desenvolvimento de meios de combate ao envelhecimento.

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INJEÇÕES DE BELEZA

Artigo para o concurso “bio/mol/texto”: Mais de 50 anos se passaram desde que o fenômeno do envelhecimento celular foi comprovado em culturas de fibroblastos, mas a existência de células velhas no organismo há muito que é questionado. Não havia evidências de que o envelhecimento células individuais desempenha um papel importante no envelhecimento de tudo corpo. Nos últimos anos, foram descobertos os mecanismos moleculares do envelhecimento celular e a sua ligação com o cancro e a inflamação. De acordo com os conceitos modernos, a inflamação desempenha um papel preponderante na gênese de quase todas as doenças relacionadas à idade, que acabam levando à morte do corpo. Descobriu-se que as células velhas, por um lado, atuam como supressores de tumor (uma vez que param de se dividir irreversivelmente e reduzem o risco de transformação das células circundantes) e, por outro lado, o metabolismo específico das células velhas pode causar inflamação e degeneração de células pré-cancerosas vizinhas em malignas. Estão atualmente em andamento ensaios clínicos de medicamentos que eliminam seletivamente células velhas em órgãos e tecidos, prevenindo assim alterações degenerativas em órgãos e câncer.

Existem aproximadamente 300 tipos de células no corpo humano, e todas estão divididas em dois grandes grupos: algumas podem se dividir e se multiplicar (ou seja, elas mitoticamente competente), e outros - pós-mitótico- não se divida: são neurônios que atingiram o estágio extremo de diferenciação, cardiomiócitos, leucócitos granulares e outros.

Em nosso corpo existem tecidos em renovação, nos quais existe um conjunto de células em constante divisão que substituem células gastas ou mortas. Tais células são encontradas nas criptas intestinais, na camada basal do epitélio da pele e na medula óssea (células hematopoiéticas). A renovação celular pode ocorrer de forma bastante intensa: por exemplo, células do tecido conjuntivo do pâncreas são substituídas a cada 24 horas, células da mucosa gástrica - a cada três dias, leucócitos - a cada 10 dias, células da pele - a cada seis semanas, aproximadamente 70 g de proliferação as células do intestino delgado são removidas do corpo todos os dias.

As células-tronco, que existem em quase todos os órgãos e tecidos, são capazes de se dividir ilimitadamente. A regeneração tecidual ocorre devido à proliferação de células-tronco, que podem não apenas se dividir, mas também se diferenciar em células do tecido cuja regeneração ocorre. As células-tronco são encontradas no miocárdio, no cérebro (no hipocampo e nos bulbos olfatórios) e em outros tecidos. Isto é uma grande promessa para o tratamento de doenças neurodegenerativas e infarto do miocárdio.

A renovação constante dos tecidos ajuda a aumentar a expectativa de vida. Quando as células se dividem, ocorre o rejuvenescimento dos tecidos: novas células vêm substituir as danificadas, enquanto o reparo (eliminação dos danos ao DNA) ocorre de forma mais intensa e a regeneração é possível em caso de danos nos tecidos. Não é surpreendente que os vertebrados tenham uma vida útil significativamente mais longa do que os invertebrados – os mesmos insetos cujas células não se dividem quando adultos.

Mas, ao mesmo tempo, os tecidos em renovação estão sujeitos à hiperproliferação, o que leva à formação de tumores, inclusive malignos. Isso ocorre devido à desregulação da divisão celular e ao aumento das taxas de mutagênese em células em divisão ativa. De acordo com os conceitos modernos, para que uma célula adquira a propriedade de malignidade, são necessárias de 4 a 6 mutações. Mutações ocorrem raramente, e para que uma célula se torne cancerosa – isso é calculado para fibroblastos humanos – devem ocorrer cerca de 100 divisões (esse número de divisões geralmente ocorre em uma pessoa por volta dos 40 anos).

Vale lembrar, porém, que mutações são mutações diferentes e, de acordo com as pesquisas genômicas mais recentes, a cada geração uma pessoa adquire cerca de 60 novas mutações (que não estavam no DNA de seus pais). Obviamente, a maioria deles é bastante neutra (ver “Passado mais de mil: a terceira fase da genômica humana”). - Ed.

Para se proteger de si mesmo, mecanismos celulares especiais foram formados no corpo supressão tumoral. Um deles é o envelhecimento celular replicativo ( senescência), que consiste na parada irreversível da divisão celular na fase G1 do ciclo celular. Com o envelhecimento, a célula para de se dividir: não responde aos fatores de crescimento e torna-se resistente à apoptose.

Limite de Hayflick

O fenômeno do envelhecimento celular foi descoberto pela primeira vez em 1961 por Leonard Hayflick e colegas usando cultura de fibroblastos. Descobriu-se que as células de uma cultura de fibroblastos humanos, em boas condições, vivem por um tempo limitado e são capazes de duplicar aproximadamente 50 ± 10 vezes - e esse número passou a ser chamado de limite de Hayflick. Antes da descoberta de Hayflick, o ponto de vista predominante era que as células são imortais e que o envelhecimento e a morte são propriedades do organismo como um todo.

Esse conceito foi considerado irrefutável em grande parte devido aos experimentos de Carrel, que manteve uma cultura de células de coração de galinha por 34 anos (só foi descartada após sua morte). Porém, como se descobriu mais tarde, a imortalidade da cultura de Carrel era um artefato, pois junto com o soro fetal, que foi adicionado ao meio de cultura para o crescimento celular, as próprias células embrionárias chegaram lá (e, muito provavelmente, a cultura de Carrel foi não é mais o que era no começo).

As células cancerígenas são verdadeiramente imortais. Assim, as células HeLa, isoladas em 1951 de um tumor cervical de Henrietta Lacks, ainda são utilizadas por citologistas (em particular, uma vacina contra a poliomielite foi desenvolvida usando células HeLa). Essas células já estiveram no espaço.

Para a fascinante história da imortalidade de Henrietta Lacks, consulte o artigo “As células imortais de Henrietta Lacks”, bem como “Os herdeiros das células HeLa”. - Ed.

Acontece que o limite de Hayflick depende da idade: quanto mais velha uma pessoa, menos vezes as suas células duplicam em cultura. Curiosamente, as células congeladas, quando descongeladas e posteriormente cultivadas, parecem lembrar o número de divisões antes do congelamento. Na verdade, existe um “contador de divisão” dentro da célula e, ao atingir um determinado limite (o limite de Hayflick), a célula para de se dividir e se torna senescente. As células senescentes (velhas) têm uma morfologia específica - são grandes, achatadas, com núcleos grandes, altamente vacuoladas e seu perfil de expressão gênica muda. Na maioria dos casos são resistentes à apoptose.

Porém, o envelhecimento do corpo não pode ser reduzido apenas ao envelhecimento das células. Este é um processo muito mais complexo. Existem células velhas em um corpo jovem, mas são poucas! Quando, com a idade, as células senescentes se acumulam nos tecidos, iniciam-se processos degenerativos, que levam a doenças relacionadas à idade. Um dos fatores dessas doenças é a chamada senilidade inflamação "estéril", que está associada à expressão de citocinas pró-inflamatórias pelas células senescentes.

Outro fator importante no envelhecimento biológico é a estrutura dos cromossomos e suas pontas - os telômeros.

Teoria do envelhecimento dos telômeros

Figura 1. Telômeros são as extremidades dos cromossomos. Como os humanos têm 23 pares de cromossomos (ou seja, 46 peças), existem 92 telômeros.

Em 1971, nosso compatriota Alexey Matveevich Olovnikov sugeriu que o limite de Hayflick está associado à “sub-replicação” das seções terminais dos cromossomos lineares (eles têm um nome especial - telômeros). O fato é que em cada ciclo de divisão celular, os telômeros são encurtados devido à incapacidade da DNA polimerase de sintetizar uma cópia do DNA desde a ponta. Além disso, Olovnikov previu a existência telomerase(uma enzima que adiciona sequências repetidas de DNA às extremidades dos cromossomos), com base no fato de que, caso contrário, nas células em divisão ativa, o DNA seria rapidamente “comido” e o material genético seria perdido. (O problema é que a atividade da telomerase desaparece na maioria das células diferenciadas.)

Os telômeros (Fig. 1) desempenham um papel importante: eles estabilizam as extremidades dos cromossomos, que de outra forma, como dizem os citogeneticistas, se tornariam “pegajosos”, ou seja, suscetível a várias aberrações cromossômicas, o que leva à degradação do material genético. Os telômeros consistem em sequências repetidas (1.000 a 2.000 vezes) (5′-TTAGGG-3 ′), dando um total de 10 a 15 mil pares de nucleotídeos em cada ponta cromossômica. Na extremidade 3 ', os telômeros têm uma região de DNA de fita simples bastante longa (150-200 nucleotídeos), que está envolvida na formação de uma alça tipo laço (Fig. 2). Diversas proteínas estão associadas aos telômeros, formando uma “capa” protetora – esse complexo é chamado abrigo(Fig. 3). Shelterin protege os telômeros da ação das nucleases e da adesão e, aparentemente, é justamente ela que preserva a integridade do cromossomo.

Figura 2. Composição e estrutura dos telômeros. A divisão celular repetida na ausência de atividade da telomerase leva ao encurtamento dos telômeros e senescência replicativa.

Figura 3. Estrutura do complexo telomérico ( abrigo). Os telômeros são encontrados nas extremidades dos cromossomos e consistem em repetições TTAGGG em tandem que terminam em uma saliência de fita simples de 32 mer. Associado ao DNA telomérico abrigo- um complexo de seis proteínas: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 e POT1.

As extremidades desprotegidas dos cromossomos são percebidas pela célula como danos ao material genético, o que ativa o reparo do DNA. O complexo telomérico, juntamente com a abrigo, “estabiliza” as pontas dos cromossomos, protegendo todo o cromossomo da destruição. Nas células senescentes, o encurtamento crítico dos telômeros perturba essa função protetora e, portanto, começam a se formar aberrações cromossômicas, que muitas vezes levam à malignidade. Para evitar que isso aconteça, mecanismos moleculares especiais bloqueiam a divisão celular e a célula entra em um estado senescência- parada irreversível do ciclo celular. Nesse caso, é garantido que a célula não conseguirá se reproduzir, o que significa que não conseguirá formar tumor. Em células com capacidade prejudicada de senescência (que se reproduzem apesar da disfunção dos telômeros), são formadas aberrações cromossômicas.

O comprimento dos telômeros e a taxa de seu encurtamento dependem da idade. Em humanos, o comprimento dos telômeros varia de 15 mil pares de nucleotídeos (kb) no nascimento a 5 kb. para doenças crônicas. O comprimento dos telômeros é máximo aos 18 meses de idade e depois diminui rapidamente para 12 kb. aos cinco anos de idade. Depois disso, a velocidade de encurtamento diminui.

Os telômeros encurtam em taxas diferentes em pessoas diferentes. Então, essa velocidade é muito influenciada pelo estresse. E. Blackburn (vencedor do Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 2009) descobriu que mulheres que estão constantemente sob estresse (por exemplo, mães de crianças com doenças crônicas) têm telômeros significativamente mais curtos em comparação com seus pares (cerca de dez anos!). O laboratório de E. Blackburn desenvolveu um teste comercial para determinar a “idade biológica” das pessoas com base no comprimento dos telômeros.

Curiosamente, os ratos têm telômeros muito longos (50–40 kb, em comparação com 10–15 kb nos humanos). Em algumas linhagens de ratos de laboratório, o comprimento dos telômeros chega a 150 kb. Além disso, em camundongos, a telomerase está sempre ativa, o que impede o encurtamento dos telômeros. No entanto, como todos sabem, isso não torna os ratos imortais. Não só isso, mas eles desenvolvem tumores a uma taxa muito mais elevada do que os humanos, sugerindo que o encurtamento dos telómeros como mecanismo de defesa tumoral não funciona em ratos.

Ao comparar o comprimento dos telômeros e a atividade da telomerase em diferentes mamíferos, descobriu-se que as espécies caracterizadas pelo envelhecimento celular replicativo têm uma vida útil mais longa e maior peso. São, por exemplo, as baleias, cuja expectativa de vida pode chegar a 200 anos. Para tais organismos, o envelhecimento replicativo é simplesmente necessário, uma vez que muitas divisões geram muitas mutações que devem ser combatidas de alguma forma. Presumivelmente, o envelhecimento replicativo é um mecanismo de combate, que também é acompanhado pela repressão da telomerase.

O envelhecimento das células diferenciadas ocorre de maneira diferente. Tanto os neurônios quanto os cardiomiócitos envelhecem, mas não se dividem! Por exemplo, acumula-se neles lipofuscina, um pigmento senil que perturba o funcionamento celular e desencadeia a apoptose. A gordura se acumula nas células do fígado e do baço à medida que envelhecemos.

A ligação entre o envelhecimento celular replicativo e o envelhecimento do corpo, a rigor, não foi comprovada, mas a patologia relacionada à idade também é acompanhada pelo envelhecimento celular (Fig. 4). As neoplasias malignas dos idosos estão principalmente associadas a tecidos renovados. O cancro nos países desenvolvidos é uma das principais causas de morbilidade e mortalidade, e um factor de risco independente para o cancro é simplesmente... a idade. O número de mortes por doenças tumorais aumenta exponencialmente com a idade, assim como a mortalidade geral. Isto nos diz que existe uma ligação fundamental entre envelhecimento e carcinogênese.

Figura 4. Fibroblastos humanos da linha WI-38 corados histoquimicamente quanto à presença de atividade de β-galactosidase. A - jovem; B - velho (senescente).

A telomerase é uma enzima que foi prevista

Deve haver um mecanismo no corpo que compense o encurtamento dos telômeros, essa suposição foi feita por A.M. Olovnikov. Na verdade, em 1984, tal enzima foi descoberta por Carol Greider e denominada telomerase. A telomerase (Fig. 5) é uma transcriptase reversa que aumenta o comprimento dos telômeros, compensando sua sub-replicação. Em 2009, E. Blackburn, K. Grader e D. Shostak receberam o Prêmio Nobel pela descoberta desta enzima e por uma série de trabalhos sobre o estudo dos telômeros e da telomerase (ver: "O 'eterno' Prêmio Nobel: 2009 homenageia trabalhos sobre telômeros e telomerase").

Figura 5. Telomerase contém um componente catalítico (transcriptase reversa TERT), RNA da telomerase (hTR ou TERC), que contém duas cópias da repetição telomérica e é um modelo para a síntese de telômeros, e a proteína disquerina.

Segundo E. Blackburn, a telomerase está envolvida na regulação da atividade de aproximadamente 70 genes. A telomerase é ativa em tecidos germinais e embrionários, em células-tronco e em proliferação. É encontrada em 90% dos tumores cancerígenos, o que garante a proliferação incontrolável de células cancerígenas. Atualmente, entre os medicamentos utilizados no tratamento do câncer, está o inibidor da telomerase. Mas na maioria das células somáticas de um organismo adulto, a telomerase não está ativa.

Uma célula pode ser levada a um estado de senescência por muitos estímulos - disfunção dos telômeros, danos ao DNA, que podem ser causados por influências ambientais mutagênicas, processos endógenos, fortes sinais mitogênicos (superexpressão dos oncogenes Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 , etc.), distúrbios da cromatina, estresse, etc. Na verdade, as células param de se dividir - tornando-se senescentes - em resposta a eventos potencialmente causadores de câncer.

Guardião do Genoma

A disfunção dos telômeros, que ocorre quando eles são encurtados ou a abrigo é interrompida, ativa a proteína p53. Este fator de transcrição leva a célula a um estado de senescência ou causa apoptose. Na ausência de p53, desenvolve-se instabilidade cromossômica, característica dos carcinomas humanos. Mutações na proteína p53 são encontradas em 50% dos adenocarcinomas de mama e em 40–60% dos adenocarcinomas colorretais. Portanto, o p53 é frequentemente chamado de “guardião do genoma”.

A telomerase é reativada na maioria dos tumores de origem epitelial que ocorrem em idosos. Acredita-se que a reativação da telomerase seja um passo importante nos processos malignos porque permite que as células cancerígenas “desafiem” o limite de Hayflick. A disfunção dos telômeros promove fusões e aberrações cromossômicas, que na ausência de p53 geralmente levam à malignidade.

Sobre os mecanismos moleculares do envelhecimento celular

Figura 6. Diagrama do ciclo celular. O ciclo celular é dividido em quatro etapas: 1.G1(pré-sintético) - período em que a célula se prepara para a replicação do DNA. Nesta fase, a paragem do ciclo celular pode ocorrer se forem detectados danos no ADN (durante a reparação). Se forem detectados erros na replicação do DNA e eles não puderem ser corrigidos pelo reparo, a célula não entra no estágio S. 2.S(sintético) - quando ocorre a replicação do DNA. 3. G2(pós-sintético) - preparação da célula para mitose, quando é verificada a precisão da replicação do DNA; se forem detectados fragmentos sub-replicados ou outros distúrbios na síntese, a transição para o próximo estágio (mitose) não ocorre. 4.M(mitose) - formação de um fuso celular, segregação (divergência cromossômica) e formação de duas células-filhas (divisão propriamente dita).

Para compreender os mecanismos moleculares da transição de uma célula para um estado de senescência, lembrarei como ocorre a divisão celular.

O processo de reprodução celular é denominado proliferação. O tempo que uma célula existe de divisão em divisão é chamado de ciclo celular. O processo de proliferação é regulado tanto pela própria célula - fatores de crescimento autócrinos - quanto por seu microambiente - sinais parácrinos.

A ativação da proliferação ocorre através da membrana celular, que contém receptores que percebem sinais mitogênicos - estes são principalmente fatores de crescimento e sinais de contato intercelular. Os fatores de crescimento são geralmente de natureza peptídica (cerca de 100 deles são conhecidos até o momento). Estes são, por exemplo, o fator de crescimento plaquetário, que está envolvido na formação de trombos e na cicatrização de feridas, fator de crescimento epitelial, várias citocinas - interleucinas, fator de necrose tumoral, fatores estimuladores de colônias, etc. Após a ativação da proliferação, a célula sai da fase de repouso G0 e o ciclo celular começa (Fig. 6).

O ciclo celular é regulado por quinases dependentes de ciclina, diferentes para cada estágio do ciclo celular. Eles são ativados por ciclinas e inativados por vários inibidores. O objetivo dessa regulação complexa é garantir a síntese de DNA com o mínimo de erros possível, para que as células-filhas tenham material hereditário absolutamente idêntico. A verificação da exatidão da cópia do DNA é realizada em quatro “pontos de verificação” do ciclo: se forem detectados erros, o ciclo celular para e o reparo do DNA é ativado. Se os danos à estrutura do DNA puderem ser corrigidos, o ciclo celular continua. Caso contrário, é melhor que a célula “cometa suicídio” (por apoptose) para evitar a possibilidade de se tornar cancerosa.

Os mecanismos moleculares que levam à paragem irreversível do ciclo celular são controlados por genes supressores de tumor, incluindo p53 e pRB, associados a inibidores de quinase dependentes de ciclina. A supressão do ciclo celular na fase G1 é realizada pela proteína p53, atuando através do inibidor da quinase p21 dependente de ciclina. O fator de transcrição p53 é ativado por danos no DNA e sua função é remover do conjunto de células replicantes aquelas que são potencialmente oncogênicas (daí o apelido p53 - “guardião do genoma”). Esta ideia é apoiada pelo fato de que mutações no p53 são encontradas em aproximadamente 50% dos tumores malignos. Outra manifestação da atividade do p53 está associada à apoptose das células mais danificadas.

Senescência celular e doenças relacionadas à idade

Figura 7. Relação entre envelhecimento celular e envelhecimento corporal.

As células senescentes acumulam-se com a idade e contribuem para doenças relacionadas com a idade. Eles reduzem o potencial proliferativo do tecido e esgotam o conjunto de células-tronco, o que leva a doenças degenerativas dos tecidos e reduz a capacidade de regeneração e renovação.

As células senescentes são caracterizadas por expressão gênica específica: secretam citocinas inflamatórias e metaloproteinases que destroem a matriz intercelular. Acontece que as células velhas proporcionam uma inflamação senil lenta, e o acúmulo de fibroblastos antigos na pele causa uma diminuição relacionada à idade na capacidade de curar feridas (Fig. 7). As células velhas também estimulam a proliferação e a malignidade de células pré-cancerosas próximas através da secreção do fator de crescimento epitelial.

As células senescentes acumulam-se em muitos tecidos humanos e estão presentes em placas ateroscleróticas, úlceras cutâneas, articulações artríticas e em lesões hiperproliferativas benignas e pré-neoplásicas da próstata e do fígado. Quando tumores cancerígenos são irradiados, algumas células também entram em estado de senescência, garantindo assim recaídas da doença.

Assim, o envelhecimento celular demonstra o efeito da pleiotropia negativa, cuja essência é que o que é bom para um organismo jovem pode tornar-se ruim para um organismo velho. O exemplo mais marcante são os processos de inflamação. Uma reação inflamatória pronunciada contribui para a rápida recuperação do corpo jovem de doenças infecciosas. Na velhice, os processos inflamatórios ativos levam a doenças relacionadas à idade. É agora geralmente aceite que a inflamação desempenha um papel decisivo em quase todas as doenças relacionadas com a idade, começando pelas neurodegenerativas.