Morfološki znaki staranja celic. Celično staranje (in vitro)

Razmnoževanje in staranje celic danes proučuje veda, imenovana citogerontologija. Znanstveniki so lahko ugotovili, da ne gre le za preprost proces naravnega staranja celic z njihovo kasnejšo smrtjo, ampak ga je mogoče programirati tudi na genetski ravni.

Ta proces se imenuje tudi "apoptoza", kot je opisano zgoraj. Ta program je zastavljen na genetski ravni vsakega človeka in njegov glavni cilj je osvoboditi telo odvečnega celičnega materiala, ki ga ne potrebujemo več.

Do danes je znanstvenikom uspelo hkrati predstaviti več teorij o tem, kako točno lahko pride do procesa staranja celic v telesu.

Danes znanstveniki precej aktivno izvajajo različne študije, med katerimi preučujejo proces staranja celic vezivnega tkiva človeškega telesa. Te celice se nahajajo po vsem telesu in neposredno in zelo aktivno sodelujejo v skoraj vseh presnovnih procesih telesa, ki so pomembni za človeško življenje.

Obstaja skupina znanstvenikov, ki je skoraj stoodstotno prepričana, da celice vezivnega tkiva ali fibroblasti dobesedno »prisilijo« k staranju vse druge sisteme, pa tudi celice človeškega telesa. To pomeni, da pride do hkratnega staranja celotnega organizma.

Zahvaljujoč nenehnim raziskavam so znanstveniki lahko ugotovili, da imajo tudi mutacije določeno vlogo v procesu staranja telesnih celic. Konec koncev, kot je znano, se mitohondriji postopoma kopičijo v DNK in se pojavljajo ravno zaradi določenih mutacij.

V procesu uničevanja celic ima pomembno vlogo tudi specifičen protein, kot je protein p53. Na primer, če se zaradi določenih okoliščin v človeškem telesu pojavijo tumorske celice, se takoj aktivira apoptoza, to je proces njihovega naravnega uničenja.

Prav tako je bilo mogoče natančno ugotoviti, kakšno vlogo ima ta proces pri staranju celic, vendar do danes znanstvenikom te teorije ni uspelo v celoti utemeljiti, zato je zgolj teoretična. Na mišicah se izvajajo različne študije in znanstveniki vsakič dobijo popolnoma nasprotujoče si rezultate.

Obstaja še en pomemben dejavnik, ki neposredno vpliva na proces staranja celic v človeškem telesu – razgradnja limfocitnih celic, ki poteka postopoma. Študije so bile izvedene na primatih in rezultati so pokazali, da če dnevna prehrana vsebuje minimalno količino kalorij, se bo staranje imunskih celic naravno upočasnilo.

Hkrati lahko snov, ki je del krvi in se manifestira ob nastanku vnetja, tudi upočasni proces njihovega staranja - to je edinstven C reaktivni protein. Okužba z nevarnimi onkovirusi lahko povzroči hiter proces naravnega usihanja imunskega sistema, zato začne trpeti obrambni sistem telesa.

Mladost celic, pa tudi celotnega človeškega telesa, je neposredno povezana s tako posebno snovjo, kot je telomeraza. Ta snov je eden od posebnih encimov, ki imajo sposobnost dodajanja edinstvenih delov molekul DNK, ki se lahko ponavljajo. Zaradi tega procesa lahko celice pridobijo tako lastnost kot dobesedno neskončno razmnoževanje, po katerem ne bodo umrle, ampak se bodo še naprej delile.

Na primer, v embrionalni celici opazimo precej visoko aktivnost te edinstvene snovi (telomeraze). Zaradi postopnega izumiranja tega encima bo prišlo do celičnega staranja.

Zadnji dve ali tri leta so bili za gerontologijo dobesedno prelomni. Najprej so znanstveniki našli način za podaljšanje življenja kvasovk, črvov in celo miši s postom, nato pa so odkrili več genov, ki lahko podaljšajo aktivno dolgoživost. Možno je bilo odkriti celo povezavo med razvojem reproduktivnega sistema, maščobnega tkiva in pričakovano življenjsko dobo.

Toda pristop k molekularni in celični osnovi staranja se ni spremenil že nekaj desetletij: kopičenje mutacij, ki neizogibno nastanejo med delitvijo, postopno uničenje beljakovin in izčrpavanje "rezervnih" sistemov.

Martin Hetzer iz Salkovega inštituta za biološke raziskave in njegovi sodelavci so lahko bistveno izboljšali to razumevanje:

Za splošnimi besedami o obrabi se skriva vsaj motnja v delovanju jedrnih por, ki zagotavljajo selektivno izmenjavo vsebine med jedrom in celico.

Kljub mikroskopskim dimenzijam - od pet do sto mikrometrov, sama celica vključuje več deset organelov, med katerimi je glavno jedro, ki zagotavlja regulacijo vseh znotrajceličnih in celo zunajceličnih procesov. Znotraj jedra, ki lahko zavzema do 80% prostornine (v spermi), se nahaja tisto najdragocenejše - genetska informacija, šifrirana v zaporedju DNK.

Če ne bi bilo jedrske membrane, potem število mutacij in napak pri branju kode celici preprosto ne bi omogočilo življenja. Toda kljub dvojni membrani, ki obdaja kromosome,

Genetski aparat ni izoliran: različne vrste RNA nenehno zapuščajo jedro, uravnavajo sintezo beljakovin, medtem ko signali, ki aktivirajo transkripcijske faktorje, prodrejo v notranjost.

Tako kot pri »večjih« pregradah, ki delujejo na ravni celotnega organizma, ima tudi jedrska prepustnost selektivno prepustnost: na primer v maščobi topne molekule, pa naj gre za steroidne hormone ali nekatera zdravila, zlahka prodrejo skozi samo membrano, kar je bolj kot tanek oljni film z vmesnimi.

Toda nukleinske kisline, beljakovine in druge hidrofilne spojine so obsojene na prehod skozi posebne kanale - jedrske pore. Kljub raznolikosti molekul, ki prehajajo skozi, so same pore pri večini organizmov precej konzervativno strukturirane in so sestavljene iz notranjega kanala in simetričnih zunanjih delov, podobnih beljakovinskim molekulam, ki se nahajajo na vrhovih osmerokotnika.

Kot so pokazali Hetzer in soavtorji objave v Cellu, sčasoma te pore začnejo "puščati", kar povzroči bolj "opazne" posledice - odlaganje amiloidnih oblog vzdolž krvnih žil v možganih, uničenje hrustanca v sklepov in "dekrepacije" srca.

Znanstveniki so na primeru mišičnih celic in nato celotnega telesa ogorčice C. elegans dokazali, da se periferni del jedrnega kanala redno obnavlja, osrednji del pa se obnavlja šele med celično delitvijo, med katero se jedrna membrana obnavlja. najprej uničeno in nato ponovno oblikovano. V skladu s tem se jedrske pore postopoma "izrabijo", vendar se za razliko od drugih znotrajceličnih sistemov ne obnavljajo, kar vodi do "puščanja". Posledično v jedro vstopajo ne le mutageni, ampak tudi druge molekule, ki motijo delovanje genetskega aparata.

Če gre za nenehno obnavljanje kožnih celic ali črevesnega epitelija, potem tak problem ne nastane, kaj pa živčne ali mišične celice, ki se skozi življenje praktično ne delijo? Ni presenetljivo, da je njihov metabolizem vezan ne le na »signale« iz jedra, temveč tudi na ustaljene kaskade reakcij, ki ne zahtevajo hitrega posredovanja genetskega aparata.

Hetzerjevo odkritje ni postalo še ena »samozadostna« hipoteza v teoriji staranja. Znanstveniki so dokazali, kako lahko reaktivne kisikove spojine, ki so že dolgo postale glavni sovražnik gerontologov, pospešijo obrabo jedrnih por in s tem staranje celotne celice. Samo upamo lahko, da sistem, ki kompenzira ta "puščanja", še obstaja, in če ga bo mogoče odkriti, bo to nov mejnik v študiji aktivne dolgoživosti.

Kljub univerzalnosti je proces staranja težko jasno opredeliti. S starostjo prihaja do fizioloških in strukturnih sprememb v skoraj vseh organskih sistemih. Pri staranju so velikega pomena genetski in socialni dejavniki, prehranjevalni vzorci, pa tudi s starostjo povezane bolezni - ateroskleroza, sladkorna bolezen, osteoartritis. Pomemben sestavni del starajočega se telesa so tudi poškodbe celic, povezane s starostjo.

S starostjo postopoma trpijo številne celične funkcije. Zmanjša se aktivnost oksidativne fosforilacije v mitohondrijih, sinteza encimov in celičnih receptorjev. Starajoče se celice imajo zmanjšano sposobnost absorpcije hranil in popravljanja kromosomskih poškodb. Morfološke spremembe v starajočih se celicah vključujejo nepravilna in lobulirana jedra, polimorfne vakuolirane mitohondrije, zmanjšanje endoplazmatskega retikuluma in deformacijo lamelarnega kompleksa. Hkrati se pigment lipofuscin kopiči.

Staranje celic je večfaktorski proces. Vključuje endogene molekularne programe celičnega staranja kot tudi eksogene vplive, ki vodijo do progresivnega motenja procesov celičnega preživetja.

Pojav celičnega staranja se intenzivno preučuje v poskusih in vitro. Dokazano je, da se v starajočih se celicah aktivirajo za staranje značilni geni, poškodujejo geni, ki uravnavajo rast, stimulirajo se zaviralci rasti, aktivirajo pa se tudi drugi genetski mehanizmi.

Domneva se, da so genske okvare lahko posledica telomernega skrajšanja kromosomov. Telomeri imajo pomembno vlogo pri stabilizaciji končnih delov kromosomov in njihovem pritrjevanju na jedrni matriks. Na primer, dolžina telomer se zmanjša v zadnjih prehodih celične kulture in v celični kulturi starejših ljudi. Ugotovljeno je bilo razmerje med dolžino telomera in aktivnostjo telomeraze.

Pridobljene poškodbe celic med staranjem nastanejo pod vplivom prostih radikalov. Vzroki za te poškodbe so lahko izpostavljenost ionizirajočemu sevanju ali postopno zmanjševanje aktivnosti antioksidativnih obrambnih mehanizmov, kot so vitamin E, glutation peroksidaza. Poškodbe celic zaradi prostih radikalov spremlja kopičenje lipofuscina, vendar sam pigment ni toksičen za celico. Poleg tega SPOL in prosti radikali povzročajo poškodbe nukleinskih kislin v jedru in mitohondrijih. S staranjem postanejo mutacije in uničenje mitohondrijske DNK dramatične. Prosti kisikovi radikali katalizirajo tudi nastanek modifikacij proteinov, vključno z encimi, zaradi česar postanejo občutljivi na škodljive učinke nevtralnih in alkalnih proteaz v citosolu, kar vodi v nadaljnje motnje delovanja celic.

S starostjo se pojavijo tudi posttranslacijske spremembe intracelularnih in zunajceličnih beljakovin. Ena od vrst takšnih sprememb je neencimska glikozilacija beljakovin. Na primer, s starostjo povezana glikozilacija proteinov leče je osnova senilne katarakte.

Končno obstajajo dokazi o oslabljeni tvorbi stresnih beljakovin in vitro pri poskusnih živalih med staranjem. Tvorba stresnih proteinov je najpomembnejši mehanizem zaščite pred različnimi stresi.

Staranje celic je večfaktorski proces in znanstvenike skrbi že od nekdaj. Ta proces vključuje endogene molekularne programe celičnega staranja kot tudi eksogene vplive, ki vodijo do progresivnega motenja procesov celičnega preživetja.

S starostjo postopoma trpijo številne celične funkcije. Starajoče se celice imajo zmanjšano sposobnost absorpcije hranil in popravljanja kromosomskih poškodb. Morfološke spremembe v starajočih se celicah, pri katerih se zmanjša aktivnost oksidativne fosforilacije v mitohondrijih in njihova vakuolizacija, zmanjša se endoplazmatski retikulum, zmanjša se aktivnost sinteze encimov in celičnih receptorjev. Kakšne transformacije se zgodijo v celičnem jedru med procesom staranja.

CELIČNO JEDRO je mesto shranjevanja in implementacije genetskega materiala – načrtov za gradnjo in regulacijo procesov sinteze beljakovin v celici.

GLAVNO KOMPONENTE JEDRA SO:

jedrska membrana;
kromatin;
nukleolus;
jedrska matrica.

Jedro je vedno lokalizirano na določenem mestu v celici. Glavne funkcije, ki jih opravlja celično jedro, so shranjevanje, uporaba in prenos genetskih informacij. Poleg tega je jedro odgovorno za tvorbo ribosomskih podenot.

Jedro v celici je lahko v dveh stanjih: mitotičnem (med delitvijo) in interfaznem (med delitvami). V interfazi je pod mikroskopom v jedru žive celice vidno le nukleolus, ki je optično videti prazen. Strukture jedra v obliki niti in zrn lahko opazujemo šele, ko je celica izpostavljena škodljivim dejavnikom, ko preide v mejno stanje med življenjem in smrtjo. Iz tega stanja se lahko celica vrne v normalno življenje ali umre.

JEDRSKA MEMBRANA - glavna funkcija je pregrada. Odgovoren je za ločevanje vsebine jedra od citoplazme, omejevanje prostega transporta makromolekul med jedrom in citoplazmo ter ustvarjanje intranuklearnega reda - fiksiranje kromosomskega materiala. Jedrska ovojnica je sestavljena iz zunanje in notranje jedrske membrane.

Zunanja membrana jedrske ovojnice, ki je v neposrednem stiku s citoplazmo celice, ima številne strukturne značilnosti, ki omogočajo, da jo uvrstimo med membranski sistem samega endoplazmatskega retikuluma. Prvič, takšne značilnosti vključujejo prisotnost številnih poliribosomov na strani hialoplazme, zunanja jedrska membrana pa se lahko neposredno spremeni v membrane zrnatega endoplazmatskega retikuluma.

Notranja jedrska membrana je povezana s kromosomskim materialom jedra. Na strani karioplazme je tako imenovana fibrilarna plast, sestavljena iz fibril, ki meji na notranjo jedrsko membrano, vendar ni značilna za vse celice.

Jedrska ovojnica ni neprekinjena. Vsebuje jedrske pore, ki nastanejo kot posledica zlitja dveh jedrnih membran. V tem primeru se oblikujejo okrogle skoznje luknje. Te luknje v jedrski ovojnici so napolnjene s kompleksnimi globularnimi in fibrilarnimi strukturami. Število jedrnih por je odvisno od presnovne aktivnosti celice: intenzivnejši kot so sintetični procesi v celici, več por je na enoto površine celičnega jedra.

KROMATIN(iz grške chroma - barva, barva) je glavna struktura interfaznega jedra. Kemično je to kompleks beljakovin in DNK različnih stopenj vijačnosti (zvitosti). DNK je zaporedje nukleotidov, individualno in edinstveno za vsakogar. Je edinstvena šifra oziroma koda, ki določa značilnosti zgradbe, delovanja in razvoja (staranja) telesa. To pomeni, da so značilnosti staranja podedovane.

Morfološko ločimo dve vrsti kromatina: heterokromatin in evkromatin. heterokromatin ustreza regijam kromosomov, ki so delno kondenzirani v interfazi in je funkcionalno neaktiven. evhromatin- to so odseki kromosomov, dekondenzirani v interfazi, funkcionalno aktiven kromatin.

Med mitozo se ves evhromatin maksimalno zgosti in postane del kromosomov. V tem obdobju kromosomi ne opravljajo sintetičnih funkcij. Včasih lahko celoten kromosom med interfazo ostane v kondenziranem stanju in ima videz gladkega heterokromatina. Na primer, eden od kromosomov X somatskih celic ženskega telesa je v začetnih fazah embriogeneze (med fragmentacijo) podvržen heterokromatizaciji in ne deluje. Ta kromatin se imenuje spolni kromatin ali Barrova telesca.

Beljakovine kromatina predstavljajo 60-70% njegove suhe mase in so predstavljene v dveh skupinah:

histonski proteini;
nehistonske beljakovine.

Histonski proteini(histoni) so alkalne beljakovine, ki vsebujejo bazične aminokisline (predvsem lizin, arginin). Po dolžini molekule DNK so razporejeni neenakomerno v obliki blokov. En blok vsebuje 8 molekul histona, ki tvorijo nukleosom. Nukleosom nastane s kompaktiranjem in superzvijanjem DNK.

Nehistonski proteini predstavljajo 20 % količine histonov in v interfaznih jedrih tvorijo strukturno mrežo znotraj jedra, ki se imenuje jedrni proteinski matriks. Ta matrika predstavlja ogrodje, ki določa morfologijo in metabolizem jedra.

Jedrce- najgostejša struktura jedra, je derivat kromosoma, eden od njegovih lokusov z največjo koncentracijo in aktivno sintezo RNA v interfazi, vendar ni samostojna struktura ali organel.

Jedro ima heterogeno strukturo in je sestavljeno iz dveh glavnih komponent - granularne in fibrilarne. Zrnato komponento predstavljajo granule (zoreče ribosomske podenote) in so lokalizirane vzdolž periferije. Fibrilarna komponenta so ribonukleoproteinske verige prekurzorjev ribosomov, ki so koncentrirane v osrednjem delu nukleolusa.

Ultrastruktura nukleolov je odvisna od aktivnosti sinteze RNA: pri visoki stopnji sinteze se v nukleolu odkrije veliko število zrnc; ko se sinteza ustavi, se število zrnc zmanjša in nukleoli se spremenijo v goste fibrilarne verige bazofilnih narave.

JEDRSKA MATRICA (karioplazma) je tekoči del jedra, ki zapolnjuje prostor med kromatinom in nukleoli.

Karioplazma je sestavljena predvsem iz beljakovin, metabolitov in ionov. Del jedrske matrike je vlaknasta lamina jedrske ovojnice. Jedrski skelet verjetno prispeva k nastanku beljakovinskega ogrodja, na katerega so pritrjene zanke DNK.

FIZIOLOŠKO STARANJE CELIC je stanje nepopravljivega prenehanja rasti. Osnova staranja telesa je celično staranje. Kar pa je posledica reorganizacije genoma, ki se pojavi kot posledica krajšanja telomer in napak v sistemih popravljanja DNK.

Dokazano je, da se v starajočih se celicah aktivirajo specifični geni, poškodujejo regulatorji in stimulirajo zaviralci rasti, aktivirajo pa se tudi drugi genetski mehanizmi. Znanstveniki domnevajo, da so genske okvare lahko posledica telomernega krajšanja kromosomov.

Telomeri imajo pomembno vlogo pri stabilizaciji končnih delov kromosomov in njihovem pritrjevanju na jedrni matriks. V celicah senilnih ljudi se dolžina telomera zmanjša. Odkrili so povezavo med dolžino telomera in aktivnostjo telomeraze, zaradi česar se dolžina telomernih regij celičnih kromosomov poveča ali ostane na konstantni ravni.

Stare celice niso videti kot mlade, kar se kaže v kopičenju odvečnih fragmentov DNA in nepravilnih celičnih proteinov, pa tudi v pojavu nenormalnih struktur v nukleolusu (skupina beljakovin in nukleinskih kislin, ki se nahajajo v celičnem jedru) . Prav tako so te celice podvržene replikativnemu staranju, to pomeni, da se lahko delijo določeno število krat (približno 50).

Znanstveniki so tudi ugotovili, da v V nekaterih primerih je možno ponastaviti števec. Hkrati je bilo mogoče ugotoviti, kako se aktivira poseben gen NDT80. Da bi preverili predvideno vlogo tega gena, so ga raziskovalci aktivirali v stari celici, ki se ne razmnožuje. Vključitev NDT80 je prinesla dvojni učinek – celica je živela dvakrat dlje kot običajno, popravljene pa so bile tudi starostne okvare nukleola. To kaže, da imajo nukleolarne nenormalnosti enega od ključev do celičnega staranja (drugi ključ, telomerni, je veliko bolje raziskan). Na žalost še ni jasno, kako deluje mehanizem za ponastavitev mobilne ure. Znano je le, da je protein, ki ga kodira gen NDT80, transkripcijski faktor, to pomeni, da služi kot sprožilec - aktivira druge gene v celici.

Privrženci prostoradikalske teorije staranja menijo, da pridobljene poškodbe celic med staranjem nastanejo pod vplivom prostih radikalov. Vzroki za to škodo so lahko izpostavljenost ionizirajočemu sevanju ali postopno zmanjševanje aktivnosti antioksidativnih obrambnih mehanizmov, kot je vitamin E. Poleg tega prosti radikali povzročajo poškodbe nukleinskih kislin tako v jedru kot v mitohondrijih. Mutacije in uničenje mitohondrijske DNK s starostjo postanejo preprosto "dramatične". Prosti kisikovi radikali katalizirajo tudi nastanek modifikacij proteinov, vključno z encimi, zaradi česar postanejo občutljivi na škodljive učinke nevtralnih in alkalnih proteaz v citosolu, kar vodi v nadaljnje motnje delovanja celic.

Tako je proces celičnega staranja raznolik. Sprožijo ga različni dejavniki in gre skozi različne signalne poti. Proces staranja je v različnih celicah različen, poteka v različnih časovnih obdobjih, vendar v vsakem primeru vodi do disfunkcije in smrti celice. Do razprave o vzrokih celičnega staranja in njegovem vplivu na celotno staranje telesa še ni prišlo, znanstveniki pa še niso našli odgovorov na številna vprašanja, ki so pomembna za razvoj sredstev za boj proti staranju.

CELIČNA KOZMETIKA CELLCOSMET & CELLMEN (ŠVICA)
KOZMETIKA "DOCTOR SPIELLER BIOCOSMETIC" ( DR.SPILLER)
INJEKCIJE LEPOTE

Članek za natečaj “bio/mol/besedilo”: Več kot 50 let je minilo, odkar so v kulturah fibroblastov dokazali pojav staranja celic, vendar obstoj starih celic v organizmu je že dolgo pod vprašajem. Ni bilo dokazov, da staranje posamezne celice igra pomembno vlogo pri staranju vsega telo. V zadnjih letih so odkrili molekularne mehanizme staranja celic in njihovo povezavo z rakom in vnetji. Po sodobnih pojmovanjih ima vnetje vodilno vlogo pri nastanku skoraj vseh starostnih bolezni, ki na koncu vodijo v smrt telesa. Izkazalo se je, da stare celice po eni strani delujejo kot tumor supresorji (saj se same nepovratno prenehajo deliti in zmanjšajo tveganje za transformacijo okoliških celic), po drugi strani pa lahko specifična presnova starih celic povzroči vnetje in degeneracija sosednjih predrakavih celic v maligne. Trenutno potekajo klinična testiranja zdravil, ki selektivno uničujejo stare celice v organih in tkivih ter s tem preprečujejo degenerativne spremembe organov in raka.

V človeškem telesu je približno 300 vrst celic in vse so razdeljene v dve veliki skupini: nekatere se lahko delijo in razmnožujejo (tj. mitotično kompetenten), in drugi - postmitotični- ne delijo: to so nevroni, ki so dosegli skrajno stopnjo diferenciacije, kardiomiociti, zrnati levkociti in drugi.

V našem telesu obstajajo obnavljajoča se tkiva, v katerih je kopica nenehno delečih se celic, ki nadomeščajo izrabljene ali odmirajoče celice. Takšne celice najdemo v črevesnih kriptah, v bazalni plasti kožnega epitelija in v kostnem mozgu (hematopoetske celice). Celična obnova se lahko pojavi zelo intenzivno: celice vezivnega tkiva v trebušni slinavki se na primer zamenjajo vsakih 24 ur, celice želodčne sluznice - vsake tri dni, levkociti - vsakih 10 dni, kožne celice - vsakih šest tednov, približno 70 g proliferirajočega. celice tankega črevesa se vsak dan odstranijo iz telesa.

Matične celice, ki obstajajo v skoraj vseh organih in tkivih, se lahko delijo neomejeno. Do regeneracije tkiva pride zaradi proliferacije izvornih celic, ki se lahko ne le delijo, ampak tudi diferencirajo v celice tkiva, katerih regeneracija se pojavi. Matične celice najdemo v miokardu, v možganih (v hipokampusu in vohalnih čebulicah) in v drugih tkivih. To veliko obeta pri zdravljenju nevrodegenerativnih bolezni in miokardnega infarkta.

Nenehno obnavljanje tkiv pomaga podaljšati pričakovano življenjsko dobo. Ko se celice delijo, pride do pomlajevanja tkiva: na mesto poškodovanih pridejo nove celice, intenzivneje pa pride do popravljanja (odprave poškodbe DNK) in v primeru poškodbe tkiva je možna regeneracija. Ni presenetljivo, da imajo vretenčarji bistveno daljšo življenjsko dobo kot nevretenčarji – iste žuželke, katerih celice se kot odrasli ne delijo.

Toda hkrati so obnavljajoča se tkiva podvržena hiperproliferaciji, kar vodi v nastanek tumorjev, vključno z malignimi. To se zgodi zaradi disregulacije celične delitve in povečane stopnje mutageneze v aktivno delečih se celicah. Po sodobnih konceptih celica potrebuje 4–6 mutacij, da pridobi lastnost malignosti. Do mutacij pride redko, da pa celica postane rakava – to je izračunano za človeške fibroblaste – mora priti do približno 100 delitev (toliko delitev se običajno zgodi pri človeku okoli 40. leta starosti).

Velja pa spomniti, da so mutacije različne mutacije in po zadnjih genomskih raziskavah človek v vsaki generaciji pridobi okoli 60 novih mutacij (ki jih ni bilo v DNK njegovih staršev). Očitno jih je večina precej nevtralnih (glejte »Presega tisoč: tretja faza človeške genomike«). - Ed.

Da bi se zaščitil pred samim seboj, so se v telesu oblikovali posebni celični mehanizmi zaviranje tumorja. Eden od njih je replikativno staranje celic ( staranje), ki je sestavljen iz ireverzibilne ustavitve delitve celic na stopnji G1 celičnega cikla. S staranjem se celica preneha deliti: ne odziva se na rastne dejavnike in postane odporna na apoptozo.

Meja Hayflick

Pojav staranja celic je leta 1961 prvič odkril Leonard Hayflick s sodelavci z uporabo kulture fibroblastov. Izkazalo se je, da celice v kulturi človeških fibroblastov v dobrih pogojih živijo omejen čas in so se sposobne podvojiti približno 50 ± 10-krat - in to število so začeli imenovati Hayflickova meja. Pred Hayflickovim odkritjem je prevladovalo stališče, da so celice nesmrtne, staranje in odmiranje pa lastnost organizma kot celote.

Ta koncept je veljal za neizpodbitnega predvsem zaradi poskusov Carrela, ki je 34 let vzdrževal kulturo celic piščančjega srca (zavrgli so jo šele po njegovi smrti). Vendar, kot se je pozneje izkazalo, je bila nesmrtnost Carrelove kulture artefakt, saj so skupaj s fetalnim serumom, ki je bil dodan gojišču za rast celic, tja prišle tudi same embrionalne celice (in najverjetneje je bila Carrelova kultura ni več to, kar je bilo na začetku).

Rakave celice so resnično nesmrtne. Tako celice HeLa, izolirane leta 1951 iz tumorja materničnega vratu Henrietta Lacks, še vedno uporabljajo citologi (zlasti cepivo proti otroški paralizi je bilo razvito z uporabo celic HeLa). Te celice so bile celo v vesolju.

Za fascinantno zgodbo o nesmrtnosti Henriette Lacks si oglejte članek »Nesmrtne celice Henrietta Lacks«, kot tudi »Dediči celic HeLa«. - Ed.

Kot se je izkazalo, je meja Hayflick odvisna od starosti: starejši ko je človek, manjkrat se njegove celice podvojijo v kulturi. Zanimivo je, da se zdi, da si zamrznjene celice, ko se odmrznejo in nato gojijo, zapomnijo število delitev pred zamrzovanjem. Pravzaprav je znotraj celice »števec delitve« in ko doseže določeno mejo (Hayflickova meja), se celica preneha deliti in postane stara. Senescentne (stare) celice imajo specifično morfologijo - so velike, sploščene, z velikimi jedri, močno vakuolizirane, njihov profil izražanja genov se spreminja. V večini primerov so odporni na apoptozo.

Vendar pa staranja telesa ne moremo zreducirati samo na staranje celic. To je veliko bolj zapleten proces. V mladem telesu so stare celice, a jih je malo! Ko se s staranjem starajoče se celice kopičijo v tkivih, se začnejo degenerativni procesi, ki vodijo v starostne bolezni. Eden od dejavnikov teh bolezni je tako imenovana senilna "sterilno" vnetje, ki je povezan z izražanjem vnetnih citokinov s starajočimi se celicami.

Drugi pomemben dejavnik biološkega staranja je zgradba kromosomov in njihovih konic – telomer.

Telomerna teorija staranja

Slika 1. Telomeri so konci kromosomov. Ker imamo ljudje 23 parov kromosomov (to je 46 kosov), je telomer 92.

Leta 1971 je naš rojak Aleksej Matvejevič Olovnikov predlagal, da je Hayflickova meja povezana s "premalo replikacijo" končnih odsekov linearnih kromosomov (imajo posebno ime - telomeri). Dejstvo je, da se v vsakem ciklu celične delitve telomere skrajšajo zaradi nezmožnosti DNK polimeraze, da sintetizira kopijo DNK od samega vrha. Poleg tega je Olovnikov napovedal obstoj telomeraza(encim, ki dodaja ponavljajoča se zaporedja DNK na konce kromosomov), ki temelji na dejstvu, da bi se v nasprotnem primeru v aktivno delečih celicah DNK hitro »pojedla« in bi se genetski material izgubil. (Težava je v tem, da aktivnost telomeraze zbledi v večini diferenciranih celic.)

Telomeri (slika 1) imajo pomembno vlogo: stabilizirajo konce kromosomov, ki bi sicer, kot pravijo citogenetiki, postali »lepljivi«, tj. dovzetni za različne kromosomske aberacije, kar vodi do degradacije genetskega materiala. Telomeri so sestavljeni iz ponovljenih (1000–2000-krat) zaporedij (5′-TTAGGG-3′), kar daje skupaj 10–15 tisoč nukleotidnih parov na vsaki kromosomski konici. Na 3' koncu imajo telomeri precej dolgo regijo enoverižne DNA (150–200 nukleotidov), ki sodeluje pri tvorbi zanke tipa laso (slika 2). Več proteinov je povezanih s telomeri, ki tvorijo zaščitno "pokrovček" - ta kompleks se imenuje zavetišče(slika 3). Shelterin ščiti telomere pred delovanjem nukleaz in adhezije in očitno ravno on ohranja celovitost kromosoma.

Slika 2. Sestava in struktura telomera. Ponavljajoče se delitve celic v odsotnosti aktivnosti telomeraze povzročijo skrajšanje telomer in replikativno staranje.

Slika 3. Struktura telomernega kompleksa ( zavetišče). Telomere najdemo na koncih kromosomov in so sestavljene iz tandemskih ponovitev TTAGGG, ki se končajo z 32-mernim enoverižnim previsom. Povezan s telomerno DNK zavetišče- kompleks šestih proteinov: TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 in POT1.

Nezaščitene konce kromosomov celica zazna kot poškodbo genetskega materiala, kar aktivira popravilo DNK. Telomerni kompleks skupaj s shelterinom "stabilizira" konice kromosomov in ščiti celoten kromosom pred uničenjem. V starajočih se celicah kritično skrajšanje telomer zmoti to zaščitno funkcijo, zato začnejo nastajati kromosomske aberacije, ki pogosto vodijo v malignost. Da se to ne bi zgodilo, posebni molekularni mehanizmi blokirajo celično delitev in celica preide v stanje staranje- ireverzibilna zaustavitev celičnega cikla. V tem primeru je zagotovljeno, da se celica ne bo mogla razmnoževati, kar pomeni, da ne bo mogla tvoriti tumorja. V celicah z oslabljeno sposobnostjo staranja (ki se kljub disfunkciji telomer razmnožujejo) nastajajo kromosomske aberacije.

Dolžina telomer in hitrost njihovega krajšanja sta odvisni od starosti. Pri človeku se dolžina telomera spreminja od 15 tisoč nukleotidnih parov (kb) ob rojstvu do 5 kb. za kronične bolezni. Dolžina telomera je največja pri starosti 18 mesecev in se nato hitro zmanjša na 12 kb. do petega leta starosti. Po tem se hitrost krajšanja zmanjša.

Telomeri se pri različnih ljudeh krajšajo različno hitro. Torej na to hitrost močno vpliva stres. E. Blackburn (dobitnik Nobelove nagrade za fiziologijo ali medicino 2009) je ugotovil, da imajo ženske, ki so nenehno pod stresom (na primer matere kronično bolnih otrok), bistveno krajše telomere v primerjavi s svojimi vrstnicami (za približno deset let!). Laboratorij E. Blackburn je razvil komercialni test za določanje "biološke starosti" ljudi na podlagi dolžine telomera.

Zanimivo je, da imajo miši zelo dolge telomere (50–40 kb v primerjavi z 10–15 kb pri ljudeh). Pri nekaterih vrstah laboratorijskih miši dolžina telomera doseže 150 kb. Poleg tega je pri miših telomeraza vedno aktivna, kar preprečuje, da bi se telomeri skrajšali. Vendar, kot vsi vedo, miši zaradi tega niso nesmrtne. Ne le to, tumorje razvijajo veliko hitreje kot ljudje, kar kaže na to, da skrajšanje telomer kot obrambni mehanizem tumorja pri miših ne deluje.

Pri primerjavi dolžine telomer in aktivnosti telomeraze pri različnih sesalcih se je izkazalo, da imajo vrste, za katere je značilno replikativno staranje celic, daljšo življenjsko dobo in večjo težo. To so na primer kiti, katerih življenjska doba lahko doseže 200 let. Za takšne organizme je replikativno staranje preprosto potrebno, saj preveč delitev povzroči veliko mutacij, proti katerim se je treba nekako boriti. Verjetno je replikativno staranje tak bojni mehanizem, ki ga spremlja tudi represija telomeraze.

Staranje diferenciranih celic poteka različno. Tako nevroni kot kardiomiociti se starajo, vendar se ne delijo! V njih se na primer kopiči lipofuscin, senilni pigment, ki moti delovanje celic in sproži apoptozo. S staranjem se maščoba kopiči v celicah jeter in vranice.

Povezava med replikativnim staranjem celic in staranjem telesa, strogo gledano, ni bila dokazana, vendar starostno patologijo spremlja tudi staranje celic (slika 4). Maligne novotvorbe pri starejših so večinoma povezane z obnavljanjem tkiv. Rak je v razvitih državah eden glavnih vzrokov obolevnosti in umrljivosti, neodvisen dejavnik tveganja za nastanek raka pa je preprosto ... starost. Število smrti zaradi tumorskih bolezni eksponentno narašča s starostjo, prav tako splošna umrljivost. To nam pove, da obstaja temeljna povezava med staranjem in rakotvornostjo.

Slika 4. Človeški fibroblasti linije WI-38, histokemično obarvani na prisotnost aktivnosti β-galaktozidaze. A - mladi; B - star (senescent).

Telomeraza je encim, ki je bil predviden

V telesu mora obstajati mehanizem, ki kompenzira skrajšanje telomer, to predpostavko je postavil A.M. Olovnikov. Dejansko je leta 1984 tak encim odkrila Carol Greider in ga poimenovala telomeraza. Telomeraza (slika 5) je reverzna transkriptaza, ki poveča dolžino telomer in tako kompenzira njihovo premajhno replikacijo. Leta 2009 so E. Blackburn, K. Grader in D. Shostak prejeli Nobelovo nagrado za odkritje tega encima in vrsto del o študiju telomer in telomeraze (glej: "Nestarajoča se Nobelova nagrada: 2009 nagrajuje delo na telomerah in telomerazi").

Slika 5. Telomeraza vsebuje katalitično komponento (TERT reverzna transkriptaza), telomerazno RNA (hTR ali TERC), ki vsebuje dve kopiji telomerne ponovitve in je matrica za sintezo telomer, ter protein diskerin.

Po E. Blackburnu telomeraza sodeluje pri uravnavanju aktivnosti približno 70 genov. Telomeraza je aktivna v zarodnih in embrionalnih tkivih, v izvornih in proliferirajočih celicah. Najdemo ga v 90 % rakavih tumorjev, kar zagotavlja nenadzorovano razmnoževanje rakavih celic. Trenutno je med zdravili, ki se uporabljajo za zdravljenje raka, zaviralec telomeraze. Toda v večini somatskih celic odraslega organizma telomeraza ni aktivna.

Celico lahko v stanje staranja spravijo številni dražljaji - disfunkcija telomer, poškodbe DNA, ki jih lahko povzročijo mutageni vplivi okolja, endogeni procesi, močni mitogeni signali (prekomerna ekspresija onkogenov Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1). , itd.), motnje kromatina, stres itd. Pravzaprav se celice prenehajo deliti – postanejo starejše – kot odgovor na dogodke, ki lahko povzročijo raka.

Varuh genoma

Disfunkcija telomer, ki se pojavi, ko se skrajšajo ali je moten shelterin, aktivira protein p53. Ta transkripcijski faktor pripelje celico v stanje staranja ali povzroči apoptozo. V odsotnosti p53 se razvije kromosomska nestabilnost, značilna za človeške karcinome. Mutacije v proteinu p53 najdemo pri 50 % adenokarcinomov dojke in pri 40–60 % kolorektalnih adenokarcinomov. Zato se p53 pogosto imenuje "varuh genoma".

Telomeraza se ponovno aktivira pri večini tumorjev epitelijskega izvora, ki se pojavijo pri starejših. Reaktivacija telomeraze naj bi bila pomemben korak pri malignih procesih, ker omogoča rakavim celicam, da »prestopijo« Hayflickovo mejo. Disfunkcija telomere spodbuja kromosomske fuzije in aberacije, kar v odsotnosti p53 najpogosteje vodi do malignosti.

O molekularnih mehanizmih staranja celic

Slika 6. Diagram celičnega cikla. Celični cikel je razdeljen na štiri stopnje: 1.G1(predsintetično) - obdobje, ko se celica pripravlja na replikacijo DNK. Na tej stopnji lahko pride do zaustavitve celičnega cikla, če se zazna poškodba DNK (med popravilom). Če so odkrite napake pri replikaciji DNA in jih ni mogoče popraviti s popravilom, celica ne vstopi v S stopnjo. 2.S(sintetični) - ko pride do replikacije DNK. 3. G2(postsintetična) - priprava celice za mitozo, ko se preveri natančnost replikacije DNK; če se odkrijejo premalo podvojeni fragmenti ali druge motnje v sintezi, ne pride do prehoda v naslednjo stopnjo (mitoza). 4. M(mitoza) - nastanek celičnega vretena, segregacija (razhajanje kromosomov) in nastanek dveh hčerinskih celic (sama delitev).

Da bi razumeli molekularne mehanizme prehoda celice v stanje staranja, vas bom spomnil, kako pride do celične delitve.

Proces razmnoževanja celic imenujemo proliferacija. Čas obstoja celice od delitve do delitve se imenuje celični cikel. Proces proliferacije regulirata celica sama – avtokrini rastni faktorji – in njeno mikrookolje – parakrini signali.

Aktivacija proliferacije poteka skozi celično membrano, ki vsebuje receptorje, ki zaznavajo mitogene signale - to so predvsem rastni faktorji in medcelični kontaktni signali. Rastni faktorji so običajno peptidne narave (do danes jih je znanih približno 100). To so na primer trombocitni rastni faktor, ki sodeluje pri nastajanju trombov in celjenju ran, epitelijski rastni faktor, različni citokini – interlevkini, tumor nekrotizirajoči faktor, kolonije stimulirajoči faktorji itd. Po aktivaciji proliferacije celica zapusti fazo mirovanja G0 in začne se celični cikel (slika 6).

Celični cikel uravnavajo od ciklina odvisne kinaze, ki so različne za vsako stopnjo celičnega cikla. Aktivirajo jih ciklini in inaktivirajo številni inhibitorji. Namen tako kompleksne regulacije je zagotoviti sintezo DNK s čim manj napakami, tako da imajo hčerinske celice popolnoma enak dedni material. Preverjanje pravilnosti kopiranja DNK se izvaja na štirih "kontrolnih točkah" cikla: če so odkrite napake, se celični cikel ustavi in aktivira se popravilo DNK. Če je poškodbo strukture DNK mogoče popraviti, se celični cikel nadaljuje. V nasprotnem primeru je bolje, da celica »naredi samomor« (z apoptozo), da se izogne možnosti, da bi postala rakava.

Molekularne mehanizme, ki vodijo do ireverzibilne zaustavitve celičnega cikla, nadzirajo tumorski supresorski geni, vključno s p53 in pRB, povezanimi s ciklin-odvisnimi zaviralci kinaze. Supresijo celičnega cikla v fazi G1 izvaja protein p53, ki deluje preko zaviralca ciklin-odvisne kinaze p21. Transkripcijski faktor p53 se aktivira s poškodbo DNK, njegova naloga pa je, da iz bazena razmnoževalnih celic odstrani tiste, ki so potencialno onkogene (od tod tudi vzdevek p53 - »varuh genoma«). To idejo podpira dejstvo, da so mutacije p53 najdene v približno 50% malignih tumorjev. Druga manifestacija aktivnosti p53 je povezana z apoptozo najbolj poškodovanih celic.

Staranje celic in s starostjo povezane bolezni

Slika 7. Povezava med staranjem celic in staranjem telesa.

Stare celice se kopičijo s starostjo in prispevajo k boleznim, povezanim s staranjem. Zmanjšujejo proliferativni potencial tkiva in izčrpavajo bazen izvornih celic, kar vodi v degenerativne motnje tkiva in zmanjšuje sposobnost regeneracije in obnove.

Za stare celice je značilno specifično gensko izražanje: izločajo vnetne citokine in metaloproteinaze, ki uničujejo medcelični matriks. Izkazalo se je, da stare celice povzročajo počasno senilno vnetje, kopičenje starih fibroblastov v koži pa povzroča s starostjo povezano zmanjšanje sposobnosti celjenja ran (slika 7). Stare celice tudi spodbujajo proliferacijo in malignost bližnjih predrakavih celic z izločanjem epitelnega rastnega faktorja.

Stare celice se kopičijo v številnih človeških tkivih in so prisotne v aterosklerotičnih plakih, kožnih razjedah, artritičnih sklepih ter v benignih in preneoplastičnih hiperproliferativnih lezijah prostate in jeter. Pri obsevanju rakavih tumorjev tudi nekatere celice preidejo v stanje staranja in s tem zagotovijo ponovitve bolezni.

Celično staranje torej dokazuje učinek negativne pleiotropije, katere bistvo je, da kar je dobro za mlad organizem, lahko postane slabo za starega. Najbolj presenetljiv primer so vnetni procesi. Izrazita vnetna reakcija prispeva k hitremu okrevanju mladega telesa po nalezljivih boleznih. V starosti aktivni vnetni procesi vodijo do bolezni, povezanih s starostjo. Danes je splošno sprejeto, da ima vnetje odločilno vlogo pri skoraj vseh starostnih boleznih, začenši z nevrodegenerativnimi.