Клеточное старение. Старение клеток и теломеры

Старение клеток (cell senescence) является событием, которое происходит во всех нормальных клетках in vitro (доля таких клеток в организме невелика). Клетки, растущие в культуре, имеют ограниченную продолжительность жизни и не растут после определенного числа делений. Они прекращают делиться и в конце концов умирают. В соответствии с этим ожидаемая продолжительность жизни в установленной культуре клеток зависит от возраста донора. Клетки, приобретшие бессмертие, через кризисный период трансформации за счет воздействия химических веществ или вирусов, точно так же, как линии злокачественных клеток в целом, обладают способностью делиться неопределенно долго. Другая форма клеточной смерти, или программируемая клеточная смерть, происходит во многих физиологических ситуациях, например, при дифференцировке кератиноцитов.

Наука о старении клеток называется цитогеронтология. Продолжительность жизни нормальных диплоидных клеток в культуре ограничена, находится под генетическим контролем и ее можно модифицировать(гормонами, факторами роста и др.).

Большинство клеток млекопитающих при помещении в культуру претерпевают ограниченное число клеточных делений перед тем, как переходят в нечувствительное непролиферирующе состояние, называемое старением. Однако, несколько путей, которые активируются по одиночке или совместно могут помочь клеткам обойти старение по крайней мере на ограниченные периоды времени. Они включают теломеразный путь, требующийся для поддержания теломерных концов, и пути p53 и Rb, требующиеся для направления старения в ответ на повреждения ДНК, сокращение теломер и митогенные сигналы, и путь инсулиноподобного ростового фактора, который может регулировать продолжительность жизни и клеточную пролиферацию. Для борьбы с клеточным старением теломеразу необходимо реактивировать, а p53 и Rb подавлять. Эмбриональные бессмертны, потому что эти пути в них строго регулируются.

Таким образом, клетки, растущие в культуре, имеют ограниченную продолжительность жизни и не растут после определенного числа делений. Продолжительность жизни нормальных диплоидных клеток в культуре находится под генетическим контролем и ее можно модифицировать(гормонами, факторами роста и др.).

Стареющие клетки могут длительно сохранять жизнеспособность. Это показывает, что процесс старения четко отличается от любой формы смерти клеток, например апоптоза, и что эти состояния необходимо различать. Старение обнаружено у многих типов клеток человека и других млекопитающих. Эти данные (см. обзор Cristofalo, ea 1993) показывают, что старение является общим феноменом. Наблюдения, свидетельствующие, что фенотип старения доминирует над иммортализованным фенотипом (Bunn, ea 1980 , Muggleton-Harris, ea 1980 , Pereira-Smith, ea 1981 , Pereira-Smith, ea 1983), многими авторами интерпретировались в том смысле, что ограниченная продолжительность жизни нормальных клеток является генетически запрограммированным процессом и что иммортализованные клетки теряют функцию одного или более предполагаемых генов старения, которые активны в нормальных клетках.

Подробнее о репликативном старении клеток можно прочитать в

Старение клетки- старение организма?

Все клетки организма продуцируют специфические вещества- , с помощью которых передается сигнал, запускается пролиферация, дифференцировка, апоптоз и др. Особенное значение этому придает тот факт, что некоторые клетки- фибробласты-расположены по всему организму, окружают многие клетки. Вполне возможно, что возрастные изменения в синтезе и ответе этих клеток на различные цитокины приводят к старению других клеток организма. А так как эти клетки повсюду, то стареет весь организм. Об этом свидетельствует работа Jeyapalan JC и Sedivy JM из Department of Molecular Biology, Cell Biology and Biochemistry, Brown University . В августе этого года вышла их статья "Старение клеток и старение организма" .
Клеточное старение (senescence) впервые было обнаружено в культурах клеток и представляет собой необратимую остановку клеточного цикла,
запускаемую различными факторами. Существуют доказательства того, что старение- это некий экстренный механизм для защиты от образования опухоли-клетка стареет и не может делиться, а опухолевые клетки, как известно, характеризуются безконтрольным ростом и делением. Но также известно, что старение клеток может приводить к опухолевому процессу и вносит свой вклад в старение всего организма. Накопление стареющих клеток приводит к старению организма вцелом. Многие клетки модифицируют свое окружение, а окружение влияет на другие клетки. При старении этих клеток, в основном фибробластов, изменяется и окружение других клеток, что может приводить к их старению.

Возраст-зависимые мутации мтДНК и клеточное старение

Мутации митохондриальной ДНК (мтДНК)- одна из причин возраст-зависимого разрушения клеток, вызываемая в свою очередь действием (АФК). Но не для всех этих мутаций доказано значение для клеточного старения. Ученые из Университета Ньюкасла под руководством профессора Mark Birch-Machin занимаются исследованием фенотипического значения мутации T414G (замена T на G в 414 положении) внутри контрольного региона мтДНК, наличие которой показано в стареющей (в том числе и при фотостарении) коже (). Исследователи продемонстрировали, что в течении деления фибробласта кожи in vitro в 5 различных культурах клеток, выделенных у пожилых людей, груз мутации T414G может увеличиваться или уменьшаться при клеточном делении, что свидетельствует об отсутствии направленного отбора против этой мутации. В подтверждение этого, с помощью клеточного сортера было показано, что уровень мутации T414G прямо не коррелирует со снижением или повышением числа копий мтДНК, или с маркерами клеточного старения (накопление липофусцина, продукция АФК). По видимому, распределение мутации косвенно зависит от типа клеточной линии. Ученые пришли к выводу, что эта мутация имеет небольшое влияние на продукцию АФК и клеточное старение в культуре фибробластов.
Подобные исследования причин и звеньев патогенеза клеточного старения имеют большое значение для разработки методов борьбы со старением.

Старение эндотелиальных прогениторных клеток

Фактор роста гепатоцитов (hepatocyte growth factor (HGF)) и сосудистый эндотелиальный фактор роста (vascular endothelial growth factor (VEGF)) -потенциально ангиогенные факторы роста в животных моделях ишемии , но их характеристики не одинаковы в лабораторных и клинических исследованиях. Японские ученые, в том числе знаменитый профессор Ryuichi Morishita из Университета Осаки, поставили целью своего исследования изучить действие этих ростовых факторов на эндотелиальные прогениторные клетки с помощью стимуляции ангиотензином II, который известен как фактор риска развития атеросклероза (). В результате исследования было выяснено, что HGF, но не VEGF, смягчает ангиотензин II-индуцированное старение эндотелиальных прогениторных клеток через снижение , ингибируя фосфатидилинозитол-трифосфат/rac1 путь. Мощная индукция неоваскуляризации HGF, но не VEGF, с помощью ангеотензина II была подтверждена экспериментами in vivo с использованием различных моделей, в том числе и трансгенных по HGF мышей.
Исследование причин, механизмов и факторов, противодействующих клеточному старению, с использованием различных подходов помогает геронтологам и ученым других специальностей искать средства для борьбы с процессом старения.

p53

Белок контролирует правильность выполнения генетических программ организма- он участвует в развитии ответа на стресс, может инициировать репарацию ДНК, остановку клеточного цикла, клеточное старение, а, прежде всего, - . До сих пор невыяснено каким именно образом p53 влияет на процесс старения- через запуск апоптоза, через остановку репарации и регенерации, или через все вышеупомянутые механизмы. Исследования на мышах дают разные, часто противоречивые результаты. Но одно несомненно- клеточное старение и старение организма в целом связаны с функционированием p53 . Этому посвящена статья ученых из The Institute for Advanced Study, Princeton Vazquez A , Bond EE, Levine AJ и Bond GL "Генетика сигнального пути p53, апоптоз и терапия рака" .
Ответ на стресс определяет индивидуальные возможности формирования опухоли и ответ на различные типы терапии онкологических заболеваний. Ученые занимаются оптимизацией терапии в соответствии современному уровню знаний. Для этого они провели генетическое исследование компонентов сигнального пути p53- самого p53 и его негативного регулятора MDM2, который может стать мишенью для терапии. Кроме того, унаследованные однонуклеотидные полиморфизмы генов сигнального пути p53 могут приводить к сходным результатам.
Из всего вышесказанного следует очень важный вывод: исследование влияния p53 на клеточное старение и запуск апоптоза помогают в разработке и оптимизации борьбы с онкологическими заболеваниями, большая часть которых является спутниками старости.

Старение клеток мезотелия

Группа польских ученых из Медицинского Университета Познани , в том числе и профессор Университета Ньюкасла исследовала уязвимость для и различные типы старения человеческих перитонеальных мезотелиальных клеток (). Выделенная из асцитической жидкости линия клеток LP-9 и выделенная из сальника линия мезотелиальных клеток HOMCs широко используются в различных исследованиях. Предполагается, что in vitro они обладают разным репликативным потенциалом. Исследователи решили сравнить эти клеточные линии с целью выявления конкретных механизмов клеточного старения . Обнаружено, что HOMCs делится меньше и вступает в фазу старения раньше, чем LP-9. Этот эффект был подтвержден ранним повышением уровня бэта-галактозидазы, ассоциированной со старением, и ингибиторов клеточного цикла p16(INK4A) и p21(WAF1). Кроме того, все 3 раза, когда клетки пересевали наблюдалось увеличение уровня повреждения ДНК. В отличие от LP-9, у HOMCs области повреждения локализовались в основном вне и длина теломер уменьшалась незначительно в процессе старения клеток. По сравнению с клетками LP-9, HOMCs входит в фазу старения с гораздо меньшим уровнем липофусцина и повреждения ДНК, а также с характерным низким уровнем восстановленного глутатиона. Кроме того, HOMCs синтезирует гораздо больше активных форм кислорода спонтанно или в ответ на внешние оксиданты. Результаты говорят о том, что в отличие от LP-9, HOMCs подвергается стресс-индуцированному теломеро-независимому преждевременному старению, что может быть следствием сильной уязвимости для .
Это исследование наглядно показывает, что разные клетки стареют по-разному.

Старение Т-клеток у приматов

В результате ряда исследований обнаружены серьезные возрастные изменения функционирования Т-лимфоцитов. В то время как общее количество Т-клеток в периферической крови в старости заметно не изменяется, наблюдаются четкие различия в относительном количестве подтипов Т-клеток. Количество незрелых лимфоцитов Т-предшественников увеличивается с возрастом, так же как и процент частично активированных Т-лимфоцитов, несущих маркеры незрелого фенотипа тимуса . Имеет место относительное увеличение цитотоксических супрессорных Т-клеток и уменьшение количества хелперов/индукторов Т-клеток. Функциональные дефекты клеточно-опосредованного иммунитета коррелируют с уменьшением популяции хелперов/индукторов. Клетки, полученные от старых людей или лабораторных животных, менее способны к ответу на аллогенные лимфоциты, фитогемагглютинин, конканавалин А и растворимый антиген. Лимфоциты от более старых мышей обладают меньшей способностью вызывать реакции отторжения, чем те, которые получены от более молодых особей тех же инбредных линий. Половина здоровых людей в возрасте старше 50 лет страдают кожной гиперчувствительностью. Уменьшение количества хелперов/индукторов Т-клеток и функций клеточно-опосредованного иммунитета сопровождается ростом количества антител и аутоиммунных реакций.

Онковирусы и арест клеточного цикла

Другой вариант старения клеток иммунной системы связан с инфицированием онковирусами . Инфицирование человеческим Т-лимфотропным вирусом типа1 (HTLV-1) вызывает дисрегуляцию пролиферации Т-лимфоцитов, что приводит к Т-клеточной лимфоме. Ранние клеточные изменения после инфицирования HTLV-1 трудно исследовать, т.к. для передачи вируса нужен межклеточный контакт, а в культуре клетки мало контактируют друг с другом. В Департаменте Микробиологии и Иммунологии Uniformed Services University of the Health Sciences ученые под руководством профессора Chou-Zen Giam провели исследования, в ходе которых показано, что клетки линии HeLa прекращают пролиферацию через 1-2 деления после инфицирования HTLV-1 или встраивания вирусного гена tax (). Клетки HeLa, инфицированные вирусом, как и клетки с встроенным tax, характеризуются высоким уровнем экспрессии p21(CIP1/WAF1) и p27(KIP1), митотическими аномалиями, останавливаются в G1-фазе клеточного цикла и стареют. Для сравнения, клетки человеческой остеосаркомы (HOS) продолжают делиться, хотя и с уменьшением скорости роста и отклонениями митоза. В клетках HOS значительно снижается экспрессия p21 и p27, которые ассоциированы с активацией пути фосфатидилинозитол-3-протеинкиназы (PI3K). Снижение p21(CIP1/WAF1) и p27(KIP1) в HOS вероятно позволяет произойти индуцированному вирусом или его геном аресту. Наконец, инфицирование HTLV-1 и экспрессия Tax вызывает арест в G1-фазе и клеток другой линии- Т-лимфоцитов SupT1. Отсюда вывод: инфицирование HTLV-1 приводит к вызываемому tax аресту клеточного цикла. Кроме того, Т-клетки, содержащие мутации по p21(CIP1/WAF1) и p27(KIP1) могут продолжать пролиферировать после инфицирования. Эти инфицированные клетки могут
размножаться, накапливать хромосомные аберрации и прогрессировать, приводя к раку.

Инсулиноподобный фактор роста (ИФР) и клеточное старение

С возрастом у людей возникают проблемы с опорно-двигательным аппаратом, в том числе и из-за патологических изменений в межпозвоночных дисках. У пожилых людей в дисках много стареющих клеток . Стареющие клетки не могут делиться и это снижает способность ткани диска к обновлению, чтобы заменить клетки погибшие некрозом или апоптозом . Ученые из Carolinas Medical Center, Charlotte под руководством Эдварда Хенли (Edward Hanley) провели работу по исследованию старения клеток межпозвоночных дисков и методов воздействия на него (). Целями данного исследования были:
1) создание надежной лабораторной модели стресс-индуцированного
преждевременного старения человеческих клеток межпозвоночных дисков;
2) определить потенциал ИФР1 в качестве средства против клеточного старения in vitro.
Инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР1) опосредует эффекты соматотропного гормона (СТГ). ИФР1 производится гепатоцитами печени в ответ на стимуляцию их соматотропиновых рецепторов. В периферических тканях именно ИФР-1 обеспечивает практически все физиологические эффекты соматотропного гормона.
Для создания модели использовали 2-часовую обработку перекисью водорода, затем с помощью иммуноцитохимических методов определяли локализацию стареющих клеток по бета-галактозидазе, процентное содержание стареющих клеток в культуре оценивали после 3 дней культивирования. Было создано 9 культур из хирургического
материала от 8 пациентов, клетки которых тестировались ИФР1 с
концентрацией 0, 50, 100 и 500 нг/мл. ИФР с концентрацией 50 и 100 нг/мл слабо незначительно на процент стареющих клеток, значительное снижение процента стареющих клеток наблюдалось при обработке ИФР с концентрацией 500 нг/мл. Эти данные являются этапом разработки терапевтичеких средств для борьбы с клеточным старением, в том числе и клеток межпозвоночных дисков.

Ресвератрол и лечение глаукомы

Ресвератрол- это фитоалексин (антибиотик, вырабатываемый в растениях, подвергшихся заражению). Он вырабатывается во многих растениях в ответ на действие бактериальных патогенов и патогенов грибов. Сейчас его получают искусственно и используют как пищевую добавку. Было показано, что он увеличивает продолжительность жизни у экспериментальных организмов- дрожжей и мышей.
Paloma Liton , Pedro Gonzalez , David L. Epstein , а также сотрудники их лабораторий из DUKE EYE CENTER Duke University Medical Center провели исследование эффекта ресвератрола при лечении глаукомы .
Повышенное внутриглазное давление (intraocular pressure (IOP)) является главным фактором риска для возникновения открытоуголной глаукомы (primary open-angle glaucoma (POAG)), которая составляет более 90% случаев глаукомы-тяжелого возраст-ассоциированного заболевания глаз. Высокое внутриглазное давление возникает из-за снижения оттока внутриглазной жидкости через систему трабекул (TM) Шлеммова канала. Снижение функции ТМ при POAG ассоциированна с экспрессией маркеров воспаления, старением клеток, и снижением клеточности. В настоящее время лечние глаукомы заключается в снижении давления, но этот терапевтический подход не улучшает функционирование ТМ у больных глаукомой. Ученые провели исследования действия ресвератрола на экспрессию маркеров воспаления, оксидативное повреждение и старения клеток ТМ, подтвергающихся хроническому оксидативному стрессу. Ресвератрол снижает продукцию внутри клеток и маркеров воспаления (IL1alpha, IL6, IL8 и ELAM-1), а также маркеров старения (бэта-галактозидазы, липофусцина и ). Также ресвератрол обладает антиапоптотическим действием, не ассоциированным со снижением клеточной пролиферации. Был сделан вывод, что ресвератрол предотвращает аномалии клеток ТМ у больных глаукомой.

В заключение

Процесс клеточного старения многообразен. Он запускается различными факторами, идет через разные сигнальные пути. В разных клетках процесс старения различен, наступает в разные моменты времени. Но во в любом случае приводит к дисфункции и смерти клетки. При рассмотрении клеточного старения возникает несколько вопросов, которые мы частично попытались рассмотреть:
1) Насколько клеточное старение соответствует старению организма в целом?
2) Как происходит старение разных клеточных типов?
3) Чем отличается старение клеток в организме (in vivo) и в лабораторных условиях (in vitro)?
4) Как старение клеток влияет на функцию клеток?
5) Как можно повлиять на процесс клеточного старения?
6) Каковы перспективы использования регуляции клеточного старения в терапии возраст-ассоциированных заболеваний?
Ответы на эти и другие вопросы очень важны для разработки средств борьбы со старением. Это один из фундаментальных механизмов, лежащих в основе старения человека.

Клеточное старение - явление, которое обычно связывают с потерей способности клетки к делению (предел Хейфлика). Этот процесс также называется репликативным старением. В русскоязычной литературе под термином клеточное старение ещё понимают снижение функциональной активности клеток по мере увеличения их возраста.

Стареющие клетки могут долгое время оставаться жизнеспособными. Нередко после остановки деления и торможения клеточного цикла у них не наступает программируемой клеточной гибели . Обычно они уничтожаются клетками иммунной системы . С возрастом в организме происходит накопление старых клеток, вероятно, вследствие ухудшения выполнения иммунной системой своих функций.

Стареющие клетки могут оказывать влияние как на соседние клетки, так и на весь организм, выделяя определённые сигнальные молекулы. Влияние это разнообразно, изучено недостаточно и, в общем, скорее отрицательно . Похоже, что клеточное старение является одним из механизмов старения организма.

Механизм клеточного старения

Укорочение теломер

Следует отметить, что у клеток больных синдромом Хатчинсона - Гилфорда (детская прогерия) предел Хейфлика значительно снижен. Схожая картина наблюдается у больных синдромом Вернера (прогерия взрослых). В этом случае больные нормально доживают до 17-18 лет, но начинают стремительно стареть, перейдя этот рубеж. Теломеры у таких больных нормальной длины, но из-за мутаций их ДНК более чувствительна к разрушению, чем ДНК здорового человека.

Согласно ещё одной модели, у молодых клеток пока ещё длинные теломеры находятся в области гетерохроматина . По мере укорочения теломер область гетерохроматина включает в себя всё больше субтеломерной ДНК, где, возможно, находится некий ген-супрессор, подавляющий программу клеточного старения. Инактивация этого гена путём включения его в область гетерохроматина и приводит к запуску процесса старения .

Роль фосфоинозитид-3-киназы

Ингибирование PI3K в культуре человеческих фибробластов приводит к торможению их пролиферации. Клетки демонстрируют признаки, характерные для стареющих клеток: активацию бета-галактозидазы , повышение экспрессии гена коллагеназы и подавление экспрессии специфического маркера пролиферирующих фибробластов, гена EPC-1 (англ. early population doubling level cDNA 1 ) .

Признаки клеточного старения

Изменение ответа на факторы роста

По мере старения клеток уменьшается их способность реагировать на определённые внешние стимулы. Эффект действия факторов роста , гормонов и других стимулирующих агентов на старые клетки гораздо ниже, чем на молодые, способные к активному делению. Токсины , антибиотики , радиация и тепловой шок, напротив, оказывают на них более сильное воздействие.

Известно, что культура клеток пациентов, страдающих синдромом преждевременного старения, таким как прогерия и синдром Вернера, дает значительно более низкий ответ на стимуляцию инсулином , сывороткой и другими факторами, чем клетки здоровых людей .

Рецепторная система клеток существенно не меняются при старении. Таким образом, снижение клеточного ответа на фактор роста не связано с уменьшением количества их рецепторов.

Остановка клеточного цикла

При старении клеток наблюдается необратимая блокировка клеточного цикла. Точный механизм, мешающий клетке перейти в S-фазу, пока неизвестен. Однако отмечается, что при пролиферативном старении клеток отсутствует экспрессия некоторых генов, обеспечивающих протекание клеточного цикла. В стареющих клетках подавлена экспрессия циклинов , Cdk2 , инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1) , а также некоторых других факторов. При этом никакие экзогенные факторы, в том числе IGF-1, не могут вывести «старую» клетку из состояния неспособности к делению.

Существует мнение, что апоптоз и переход клеток в стадию покоя являются альтернативной защитной реакцией на действие повреждающих агентов и необходимы для профилактики онкогенной трансформации клеток . Если повреждённая клетка по той или иной причине не переходит к апоптозу или клеточному старению, она может стать злокачественной .

Клеточное старение и рак

Болезни, связанные со старостью разделяются на две большие категории. Первую группу составляют болезни, связанные с утратой функции, в основном, это дегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона , саркопения , макулодистрофия и т. д.). Вторая группа состоит из болезней, связанных с усилением функции (аденома простаты ,атеросклероз и другие). Наиболее известной и смертоносной из них является рак . Фактором риска для образования злокачественной опухоли являются влияние генетических факторов и окружающей среды, но наиболее значимый из них это фактор зрелого возраста . Вероятность опухолеобразования после 50 лет возрастает почти экспоненциально . Во-первых, это вызвано тем, что с возрастом накапливаются мутации , способствующие онкогенезу. Доказательством этого служит, например, что у людей с мутациями в генах, вызывающими рак , образование опухоли происходит в раннем возрасте. Также генетическая нестабильность (дестабилизация хромосом, обмен сестринских хроматид, анеуплоидия , мутации и амплификации генов , клональная гетерогенность, неопластическая трансформация) может влиять на онкогенез . Во-вторых, накопление стареющих клеток образует среду благоприятную для опухолеобразования. Нормальное тканевое микроокружение может подавить способность мутировавших раковых клеток к размножению и выживанию, поэтому опухолевые клетки часто должны уметь модифицировать окружающую тканевую среду. Однако тканевое микроокружение само может обладать проканцерогенным состоянием независимо от присутствия раковых клеток. Возникновению такого состояния может способствовать возраст . Механизм с помощью которого возраст вызывает состояние, благоприятствующее онкогенезу, является мультифакторным и, до конца, неизученным. Одним из таких факторов является клеточное старение. Например, повреждение или стресс, подвергающий пролиферирующую клетку риску злокачественной трансформации, вызывает клеточное старение, защищая клетки от рака . Это связано с работой p53 и p16INK4a/pRB, являющегося наиболее значимым противоопухолевым механизмом. Следовательно, для онкогенеза необходима генетическая (мутагенная) или эпигенетическая инактивация этого эффективного механизма .

Опухоль может образоваться как из клеток, которые экспрессируют теломеразы (например, стволовые клетки), так и из клеток, которые этого не делают. В клетках, в которых теломеразы отсутствуют, укорочение теломер может вызвать репликативное старение, которое предназначено предотвращать развитие рака . И, наоборот, короткие теломеры могут привести к увеличению генетической нестабильности и, соответственно, к образованию опухоли. А в клетках экспрессирующих теломеразы , её выключение может вызвать генетическую нестабильность .

Однако клеточное старение может вызвать и развитие рака . Сначала эта идея кажется парадоксальной, но эволюционная теория антагонистической плейотропии предусматривает, что биологический процесс может быть как полезным, так и вредным, в зависимости от возраста . Большинство животных развивается в условиях, изобилующих смертельной внешней опасностью (хищники , инфекции , голод и т. д.). В этих условиях пожилая особь представляет собой редкость и поэтому отбор против процессов, которые на поздних этапах жизни способствуют возникновению болезни, является слабым. То есть, они избегают влияния процесса естественного отбора . Таким образом, биологический процесс, который был нужен для развития выносливости у молодого организма (например, подавление опухолеообразования) может нести вред для зрелого организма, (вызывая болезни позднего возраста, включая рак) .

См. также

Литература

Примечания

1. Fernandes P. B. , Panos C. Wall-less microbial isolate from a human renal biopsy. (англ.) // Journal of clinical microbiology. - 1977. - Vol. 5, no. 1 . - P. 106-107. - PMID 833264 . [исправить]
2. Campisi J. , d"Adda di Fagagna F. Cellular senescence: when bad things happen to good cells. (англ.) // Nature reviews. Molecular cell biology. - 2007. - Vol. 8, no. 9 . - P. 729-740. - DOI :10.1038/nrm2233 . - PMID 17667954 . [исправить]
3. Harley C. B. , Futcher A. B. , Greider C. W. Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts. (англ.) // Nature. - 1990. - Vol. 345, no. 6274 . - P. 458-460. - DOI :10.1038/345458a0 . - PMID 2342578 . [исправить]
4. Harley C. B. , Vaziri H. , Counter C. M. , Allsopp R. C. The telomere hypothesis of cellular aging. (англ.) // Experimental gerontology. - 1992. - Vol. 27, no. 4 . - P. 375-382. - PMID 1459213 . [исправить]
5. Kim N. W. , Piatyszek M. A. , Prowse K. R. , Harley C. B. , West M. D. , Ho P. L. , Coviello G. M. , Wright W. E. , Weinrich S. L. , Shay J. W. Specific association of human telomerase activity with immortal cells and cancer. (англ.) // Science (New York, N.Y.). - 1994. - Vol. 266, no. 5193 . - P. 2011-2015. - PMID 7605428 . [исправить]
6. Morris J. Z. , Tissenbaum H. A. , Ruvkun G.

Каждый из нас мечтает продлить свою молодость, дожить здоровым до правнуков, а может даже до пра-правнуков. И, подобные мечты – реальны! Такой подарок преподнесла всему человечеству не просто женщина-ученый, а мама 7 детей!

Порой удивляешься, на что способны многодетные мамы? И откуда у них берется время не просто справиться по дому, а (парадокс!) на научные открытия! Элизабет Блэкберн, мамочка семерых детей, доктор философии, профессор психиатрии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, молекулярный биолог, в 2009 году получила вместе со своими коллегами Нобелевскую премию за открытие, которое в будущем может обернуться для всего человечества бессмертием! А ведь это красота, молодость и долгожительство!

Удивительные ! Природная защита от старости и болезней

Средство Макропулоса, молодильные яблочки, волшебные таблетки, которые обеспечат гладкую и упругую кожу, крепкие бицепсы в тонусе, роскошные волосы. Конечно, вы не верите в это, и правильно делаете. А как насчет 30 триллионов возможностей принести огромную пользу своему организму, и тем самым обхитрить старость? Речь идет о каждой вашей клеточке, содержащей хромосомы.

Благодаря множеству исследований, стало известно, что хромосомы имеют защиту за счет так называемых теломеров. Взгляд на них через микроскоп открывает перед нами следующую картину: ДНК человека в форме ниточки, на конце которой находится своеобразная крышечка или колпачок, который является защитным теломером. Когда делится клетка, вместе с ней дробятся и ее «защитники». С каждым таким делением, теломер теряет свою длину, что приводит к старению, сердечно-сосудистым заболеваниям, диабету, раку – уже доказанный научный факт.

Открытие же Элизабет Блэкберн показало, что с течением жизни теломеры могут не только уменьшаться, но даже расти и сохранятся, от чего продолжительность жизни и состояние человека колеблется в ту или иную сторону. И большую роль в этом деле играют разные факторы, например, питание, образ жизни. Интересен и тот факт, что клетки и ДНК большинства из нас запрограммированы на долгожительство без старости и болезни. Это означает, что никогда не поздно предпринять шаги, чтобы сохранить свои теломеры и замедлить процесс старения клеток.

Спасибо, Элизабет Блекбэрн за ее открытие и подсказки, как можно это сделать!

Обеспечьте правильное питание вашему ДНК

Тунец, лосось и другая жирная рыба в вашем рацион являются поставщиками , которые защищают теломеры от повреждений. А вот сахар и сладкие вкусняшки приводят к «скачку» глюкозы в крови и не лучшим образом отражаются на здоровье. Красное мясо в больших количествах тоже несет мощные негативные последствия, и представляет собой настоящие токсины.

Сведите к минимуму употребление продуктов, которые повреждают ДНК, нарушают кислотно-щелочной баланс организма. «Окислительный стресс» – корень большинства заболеваний, инфекций и воспалительных процессов.

Налегайте на щелочные продукты – зелень, листовые, бобовые, фрукты, овощи, злаки, ягоды.

Будьте всегда на позитиве!

Хотите долго жить и удивлять всех своей молодой внешность? Придется научиться жить с улыбкой на лице, несмотря на тот факт, что стресс является частью современного мира. Ученые предупреждают, что пессимизм, цинизм, враждебность «укорачивают» теломеры. Как только вы начинаете негативно мыслить, вырабатывается гормон стресса, разрушающий теломеры.

Психологи советуют попробовать следующую стратегию: нужно визуально представить стрессовую ситуацию в виде фильма, который вы смотрите. Вы просто в роли наблюдатели со стороны.

У многих людей принял хронический характер из-за работы, которая не нравится, пробок на дорогах, плохих новостей по телевизору и пр. А ведь все это можно исправить. Каким образом? Например, вместо политических дебатов смотреть кинокомедии, переехать из мегаполиса в маленький городок или деревушку – прощайте пробки и плохая экология! Не нравится работа? Почему бы не заняться любимым делом? И пусть зарплата меньше, зато жизнь длиннее! На самом деле, все, что нужно для качественной жизни человека составляет минимум, а все остальное «придумано» рекламными компаниями. Одно из таких откровений о маркетинговых секретах можно прочитать в книге «99 франков» Фредерика Бегбедера.

Также уйти от негатива и стресса помогают восточные практики: йога, медитация, пранаяма.

Будьте активны!

Физическая активность – это не только крепкие мышцы и здоровье, но инструмент сохранения теломеров в полном порядке. Сидячий образ, напротив, приводит к преждевременному старению, воспалениям, стрессу и болезням.

Не обязательно быть спортсменом. Достаточно три раза в неделю по 45 минут заниматься фитнесом или взять привычку гулять (кататься на велосипеде) на свежем воздухе. Ученые выяснили, что люди, которые занимаются одним видом спорта, имеют теломеры на три процента длиннее. У тех, кто предпочитает разнообразить свою физическую активность (занимается 3,4 и более занятиями спорта) теломеры сохраняют свою длину или увеличиваются на 20- 60%! Некоторые, например, практикуют йогу, бегают и танцуют, а вы?

Эффективный отдых

Отпуск – это не повод валяться на пляже. Правильнее, планировать такой отдых, который освежит вас и укрепит здоровье. Недавние исследования показали, что шесть дней медитации помогают людям даже восстановить поврежденные теломеры.

Сегодня все больше туристических компаний предлагают оздоровительные туры и ретриты. Почему бы не планировать свой отпуск, как прекрасную возможность практиковать новые

Несмотря на универсальность, процессу старения трудно дать четкое определение. С возрастом происходят физиологические и структурные изменения почти во всех системах органов. При ста­рении имеют большое значение генетические и социальные фак­торы, характер питания, а также связанные с возрастом болез­ни - атеросклероз, сахарный диабет, остеоартроз. Повреждения клеток, обусловленные возрастом, также являются важным ком­понентом старения организма.

С возрастом прогрессивно страдает ряд функций клеток. Сни­жается активность окислительного фосфорилирования в мито­хондриях, синтеза ферментов и рецепторов клеток. Стареющие клетки обладают сниженной способностью к поглощению пита­тельных веществ и восстановлению хромосомных повреждений. К морфологическим изменениям в стареющих клетках относятся неправильные и дольчатые ядра, полиморфные вакуолизированные митохондрии, уменьшение эндоплазматической сети и де­формация пластинчатого комплекса. Одновременно происходит накопление пигмента липофусцина.

Старение клеток является многофакторным процессом. Он включает эндогенные молекулярные программы клеточного старения, а также экзогенные влияния, приводящие к прогресси­рующему вторжению в процессы выживаемости клеток.

Феномен клеточного старения интенсивно изучается в опытах in vitro. Показано, что в стареющих клетках происходит актива­ция специфических для старения генов, повреждаются гены - регуляторы роста, стимулируются ингибиторы роста, а также включаются и другие генетические механизмы.

Предполагают, что генные дефекты могут быть обусловлены телометрическим укорочением хромосом. Теломеры играют важную роль в стабилизации терминальных порций хромосом и прикреплении их к ядерному матриксу. Например, длина теломеров уменьшается в последних пассажах культуры клеток и в культуре клеток людей старческого возраста. Обнаружена связь между длиной теломера и активностью теломеразы.

Приобретенные повреждения клеток при старении возника­ют под действием свободных радикалов. Причинами этих повре­ждений может быть воздействие ионизирующей радиации или прогрессирующее снижение активности антиоксидантных меха­низмов защиты, например витамина Е, пероксидазы глютатиона. Повреждение клетки свободными радикалами сопровождается накоплением липофусцина, однако сам по себе пигмент не токси­чен для клетки. Кроме того, СПОЛ и свободные радикалы вызы­вают повреждение нуклеиновых кислот как в ядре, так и мито­хондриях. Мутации и уничтожение митохондриальной ДНК с воз­растом становятся просто драматическими. Свободные радикалы кислорода катализируют также образование модификаций бел­ков, включая ферменты, делая их чувствительными к поврежда­ющему действию нейтральных и щелочных протеаз, содержа­щихся в цитозоле, что ведет к дальнейшему нарушению функций клетки.

Посттрансляционные изменения внутриклеточных и внекле­точных белков также возникают с возрастом. Одна из разновидностей таких изменений - неферментное гликозилирование белков. Например, связанное с возрастом гликозилирование бел­ков хрусталика лежит в основе старческой катаракты.

Наконец, имеются данные о нарушении образования стрессорных белков in vitro у экспериментальных животных при ста­рении. Образование стрессорных белков - важнейший меха­низм защиты от различных стрессов.

В данном обзоре изложены механизмы репликативного старения соматических клеток млекопитающих, влияние старых клеток на окружающие ткани и организм человека, патологии, связанные с дисфункциями теломер.

Введение.

Клетки, вошедшие в состояние репликативного старения, характеризуются набором биологических маркеров. Наиболее очевидным маркером является арест клеточного цикла в G1 фазе. Арест клеточного цикла при репликативном старении - процесс необратимый в том смысле, что даже ростовые факторы не могут стимулировать клетки к делению. Старые клетки сохраняют метаболическую активность и могут оставаться жизнеспособными, по существу, бесконечно долго. Важным компонентом этой стабильности может служить устойчивость старых клеток к апоптозу .

Вдобавок к необратимому аресту клеточного роста старые клетки претерпевают характерные изменения в морфологии : становятся более крупными, плоскими и гранулированными. В литературе эти клетки часто характеризуют по экспрессии в них связанной со старением b-галактозидазы , активной при рН 6. Лизосомальная гидролаза -галактозидаза в норме активна при рН 4. Когда клетки в культуре входят в состояние репликативного старения, увеличивается количество клеток, в которых -галактозидаза активна при рН 6.

Не так давно учеными были обнаружены более специфические биологические маркеры для определения репликативного старения, которые можно разделить на несколько категорий. (1) Компоненты сигнальных путей, которые индуцируют и поддерживают состояние старения (например, индукция ингибиторов циклин-зависимых киназ р16 и р21); (2) маркеры генотоксического стресса (такие как, очаги повреждения ДНК и их колокализация с теломерами); (3) появление характерного типа факультативного гетерохроматина , ассоциированного со старением; (4) секреция определенных воспалительных цитокинов и факторов, модифицирующих ткань.

В классическом варианте термин <репликативное старение > применяется для описания необратимого ареста клеточного цикла, связанного с дисфункцией теломер , в частности с их укорочением. Однако в последнее время ученые все чаще используют этот термин в более широком смысле. А именно, применяют этот термин для описания стресс-индуцированного старения. Объясняется это тем, что определенные виды стрессов могут индуцировать дисфункциональность теломер, в том числе и их укорочение, что в свою очередь приводит к тем же механизмам, что и при классическом репликативном старении. В данном компасе будут описаны механизмы клеточного старения, связанного с дисфункциональностью теломер, то есть механизмы репликативного старения в классическом его варианте.

Теломеры - важнейшие элементы генома.

Теломеры - это специализированные концевые структуры хромосом , состоящие из ДНК и белков. Теломеры позволяют клеткам отличать концы хромосом от двойных разрывов ДНК . Открытые концы хромосом подвергаются деградации, рекомбинации или склеиванию за счет репарации ДНК . Деградация хромосом ведет к потере генетической информации и, если не предотвратить этот процесс, то к клеточной гибели. Рекомбинация может привести к перестройкам, либо к уменьшению, либо к увеличению длины теломер, что может преждевременно запустить или, наоборот, приостановить старение клетки. Склеивание теломер приводит к образованию дицентрических хромосом (хромосома с двумя центромерами), которые разрушаются в течение митоза, порождая дополнительные двуцепочечные разрывы ДНК и нестабильность генома в целом. Таким образом, без теломер генетическая информация может утрачиваться, претерпевать перестройки или становиться нестабильной.

Вследствие ряда процессов (например, повреждения ДНК, многократных делений клетки в отсутствии активной теломеразы , изменения белков, ассоциированных с теломерой) теломеры могут утрачиваться или становиться нефункциональными. В ответ на нефункциональные или поврежденные теломеры клетки могут умереть, состариться, что сопровождается арестом клеточного цикла, или приобрести ряд мутаций . Подобные эффекты, безусловно, могут вызвать сильные последствия для всего организма, особенно для сложных организмов, которые содержат как митотические, так и постмитотические клетки. Сейчас доподлинно известно, что нефункциональные теломеры могут способствовать развитию опухоли . Однако при развитии опухоли для того, чтобы выжить раковые клетки должны приобрести механизмы стабилизации и восстановления теломерной функции. С другой стороны, существуют доказательства того, что нефункциональные теломеры могут способствовать старению клеток и индуцировать развитие возрастных патологий, таких как сосудистые заболевания, слабое заживление ран и иммунологическое старение . Более того, в определенных тканях стабилизация теломер может, при некоторых условиях, предотвращать или замедлять развитие ассоциированных со старением процессов.

Состав и структура теломер. Теломерная ДНК.

Теломеры млекопитающих состоят из простой последовательности 5 -TTAGGG-3 , повторяющейся сотни и тысячи раз на каждом конце хромосомы. Большинство участков теломер являются двуцепочечными ДНК, но конец каждой теломеры представляет собой одноцепочечный 3 G-хвост . Этот хвост является субстратом для теломеразы, клеточной обратной транскриптазы , которая может добавлять теломерную ДНК к концу хромосомы. Структура теломеры защищает G- хвост от деградации и, в некоторой степени, от нерегулируемого удлинения теломеразой.

Длина TTAGGG участков варьирует от вида к виду. Например, человеческие теломеры имеют размер 10-15 kb (килобаз), а лабораторные мыши (Mus musculus) имеют теломеры более длинные (>30kb) и более гетерогенные. С другой стороны, теломеры родственного вида мышей (Mus spretus) немногим короче, чем у людей. Длина теломер также варьирует в разных соматических клетках одного организма.

Важна ли общая длина теломеры для ее функционирования? Сравнение продолжительности жизни разных видов жиовтных показало, что длина теломеры не оказывает большого влияния на старение клеток или организма. Так, Homo sapiens и Mus spretus имеют теломеры практически одинаковой длины, но при этом существенно отличаются по скорости развития опухолей и срокам наступления старения. Наоборот, лабораторные мыши Mus musculus имеют более длинные теломеры, чем их дикие сородичи Mus spretus, тем не менее, все эти виды имеют практически одинаковую продолжительность жизни. Вероятно, что теломерная функция скорее зависит от структуры в целом, чем исключительно от ее длины.

Было идентифицировано несколько белков, которые ассоциированы с теломерами млекопитающих. Они регулируют структуру и контролируют длину теломер. Некоторые связаны исключительно с теломерами, тогда как другие локализуются в других ядерных или клеточных компартментах .

У млекопитающих два белка, TRF1 и TRF2, напрямую и специфически связаны с двуцепочечной теломерной ДНК, а третий белок, POT1, специфически связан с одноцепочечным G-хвостом. TRF2 и POT1 особенно важны для стабилизации структуры теломеры и защиты концов хромосом от деградации и слипания. Два дополнительных ассоциированных с теломерой белка у млекопитающих, TIN2 и hRAP1 также специфически локализованы на теломере, но не напрямую, а за счет связывания с TRF1 и TRF2, соответственно. Эти белки вместе с TRF1 контролируют длину теломер. Они не действуют подобно теломеразе, а скорее регулируют теломерную структуру и, поэтому, способны открывать доступ теломеразе к G-хвосту. TRF1, hRAP1 и TIN2 также помогают стабилизировать структуру теломеры.

Две неклассических поли-АДФ рибоз-полимеразы (PARP), TANK1 и TANK2, ферменты, обычно ассоциированные с репарацией ДНК и сохранением стабильности хромосом, также взаимодействуют с TRF1. Их роль в сохранении структуры и функциональности теломер пока не до конца изучена.

Недавно было обнаружено, что несколько известных белков, участвующих в репарации ДНК, также локализуются вблизи теломер. Одним из примеров является Ku, компонент ДНК-зависимой протеин киназы (DNA-PK), связывающий концы ДНК, который важен для репарации двуцепочечных разрывов путем негомологичного соединения концов (NHEJ). Таким образом, DNA-PK, помимо ее роли в репарации ДНК, может играть роль в сохранении теломер. Эта идея подтверждается недавно полученными данными, показывающими, что DNA-PK совместно с TRF2 необходимы для специфичного процессинга теломер после их репликации в S фазе . Более того, комплекс RMN , важный для репарации ДНК, может функционировать вблизи теломеры. У млекопитающих этот комплекс связан с теломерами, по крайней мере, в течение S фазы.

Структура теломеры.

Недавно было показано, что концы теломер представляют собой большую петлю, наподобие лассо, которая называется t петлей. Теломерные t петли были выделены из мышей, людей и простейших, что свидетельствует об их эволюционно консервативной структуре. У мышей и людей размер t петли коррелирует с длиной теломеры, варьируя от 3 kb в нормальных человеческих лимфоцитах до 18 kb в мышиных клетках печени. Простейшие , напротив, имеют t петли меньшего (1 kb) размера, несмотря на длину теломер 10-20 kb.

Формирование теломерных t петель зависит от TRF2. Кроме этого, формирование и/или сохранение теломерных t петель стабилизируется за счет других ассоциированных с теломерой белков, особенно за счет TRF1 и TIN2. Каким же образом t петли защищают теломеры от деградации и склеивания и регулируют длину теломер? Известно, что G-хвост утоплен в теломерную двуцепочечную ДНК в месте соединения t петли и хвоста. Таким образом, t петля может обеспечивать структуру, которая лишена распознаваемых <концов> ДНК и поэтому не имеет сходства с двуцепочечными разрывами. Она также может защищать G-хвост от деградации и ограничивать доступ теломеразы к ее субстрату. Разрушение t петли приводит к клеточному ответу, который, по крайней мере, в некоторых случаях имеет сходство с клеточным ответом на двойные разрывы ДНК.

Молекулярные механизмы репликативного старения.

Теломеры укорачиваются с каждым циклом удвоения генома, то есть при каждом клеточном делении. Минимальная скорость укорочения теломер в человеческих клетках составляет 30-50 пар оснований на каждое деление. Прогрессивное укорочение теломер приводит, в конечном счете, к урезанию теломер до критической длины или вызывает изменения в структуре теломер, что приводит к потере теломер-связывающих белков и впоследствии к активации процесса старения. Подтверждением такой гипотезы может служить тот факт, что дополнительная экспрессия каталитической субъединицы теломеразы (TERT) может предотвращать укорочение теломер и отменять арест клеточного роста, опосредованный старением. Напротив, было обнаружено, что ингибирование теломеразы в иммортализованных клетках ограничивает их репликативный срок жизни. Однако большинство клеток не экспрессируют теломеразу и отвечают на дисфункцию теломер необратимым арестом клеточного цикла.

Механизмы, по которым распознаются укороченные теломеры и активируется программа старения, пока не до конца понятны. Было предложено несколько гипотез влияния укорочения теломер на старение, включая индукцию ответа на повреждения ДНК и активацию обычно молчащих <генов старения>, локализованных в субтеломерных участках.

Учеными были предприняты огромные усилия для того, чтобы объяснить молекулярные механизмы старения. Так, были идентифицированы гены, экспрессия которых изменяется при старении клеток. Однако до сих пор, не доказано являются ли эти изменения экспрессии генов причиной или следствием старения. Исследования молекулярных механизмов старения осложняются тем фактом, что старение не является уникальным клеточным процессом. Механизмы старения существенно отличаются у клеток, полученных из различных видов животных. Так, например, в отличие от человеческих фибробластов, мышиные фибробласты экспрессируют теломеразу и имеют очень длинные теломеры, однако после нескольких пассажей в культуре мышиные фибробласты начинают стареть, что не зависит от укорочения теломер и, возможно, опосредуется окислительным стрессом. Даже разные типы клеток, полученные из одного и того же животного, могут существенно различаться по механизмам старения. Человеческие фибробласты начинают стареть после ограниченного числа клеточных делений в культуре, а экспрессия теломеразы отменяет этот процесс. Напротив, человеческие эпителиальные клетки молочной железы быстро переходят в состояние ареста клеточного роста, которое не связано с укорочением теломер, но опосредуется активацией ингибитора циклин-зависимых киназ р16. Субпопуляция клеток с инактивированным р16 выходит из состояния ареста и продолжает делиться до наступления вторичного ареста клеточного роста, который на этот раз уже связан с укорочением теломер. Эти отличия являются отражением различий в экспрессии ряда генов в этих старых клетках, что говорит о том, что существует множество путей старения. Различные пути старения, тем не менее, сходятся на двух белках p53 и pRb.

Пути репликативного старения.

р53-р21 путь.

Исследования, в которых с использованием разных подходов подавлялась активность или экспрессия р53 , четко установили его специфическую роль в старении. Инактивация р53 способна задерживать, хотя и не отменять, репликативное старение в человеческих клетках. В старых клетках р53 мРНК и уровни белка по большому счету не изменяются, но р53 становится фосфорилированным и его активность, как транскрипционного фактора , повышается в процессе старения. Каким образом р53 активируется за счет укорочения теломер, пока остается неясным. Недавно полученные результаты свидетельствуют о том, что критически короткие теломеры, утратившие свою структуру и связь с регуляторными белками, индуцируют клеточный ответ, такой же, как индуцируется на повреждения ДНК, что приводит к активации ATM/ATR и Chk1/Chk2, которые, в свою очередь, приводят к фосфорилированию и активации р53.

Одной из мишеней р53 является ингибитор циклин-зависимых киназ, р21 . Экспрессия р21 повышается в процессе репликативного старения, и его активация зависит от сигналов, инициируемых укорочением теломер, поскольку экспрессия TERT блокирует эту активацию. Было обнаружено, что экспрессия р21 в течение репликативного старения регулируется по двум механизмам, р53-зависимому и р53-независимому. Гиперэкспрессия р21 индуцирует арест клеточного роста в некоторых клетках, тогда как делеция р21 может отсрочивать арест, связанный со старением. Совместно эти исследования говорят о том, что функции р53 в старении заключаются, по крайней мере, частично, в индукции р21.

р16-pRb путь.

Обнаружение маркеров, ассоциированных со старением, в местах развития возрастных патологий дает дополнительные основания предполагать о наличии связи между клеточным старением и старением организма. Несколькими группами исследователей были представлены доказательства присутствия старых эндотелиальных клеток в атеросклеротических бляшках . Изменения экспрессии генов в старых клетках являются факторами развития атеросклероза. Также была обнаружена связь между клеточным старением и другим возрастным заболеванием, остеоартрозом . Старые клетки обнаруживались в кластерах хондроцитов вблизи остеоартрического повреждения. В норме уровень обновления хондроцитов в хряще низок, но он увеличивается при развитии заболевания, что в свою очередь способствует изнашиванию теломер. Характерным заболеванием пожилых мужчин является доброкачественная гиперплазия простаты , которая характеризуется ростом зоны перехода простаты вследствие пролиферации эпителиальных и стромальных клеток. Интересно, что эта пролиферация происходит из-за наличия старых эпителиальных клеток, обнаруженных в этой области. Эти клетки секретируют цитокины ИЛ-1 и ИЛ-8, которые стимулируют секрецию стромальных факторов роста, что в свою очередь индуцирует пролиферацию нестарых эпителиальных клеток. Таким образом, присутствие старых клеток может способствовать прогрессированию соседних предраковых клеток и, следовательно, развитию рака в старых тканях.

С другой стороны, как было упомянуто выше, клеточное старение может защитить организм млекопитающих от опухоли. Однако если клеточное старение также способствует старению организма, вероятно, что это является примером эволюционно антагонистической плейотропии. Эта теория предполагает, что некоторые особенности, которые в процессе эволюции развивались, как защитные механизмы многоклеточных организмов, в частности млекопитающих, оптимальны для молодых организмов, но могут иметь вредное влияние на старые организмы. Арест клеточного цикла, связанный с клеточным старением, может быть той самой особенностью, которая подавляет развитие опухоли в молодых индивидуумах. Напротив, измененные функции старых клеток могут оказывать вредные воздействия на пожилые организмы. По-видимому, эти вредные эффекты также присутствуют и в молодых тканях, однако, в связи с тем, что количество старых клеток в организме молодых индивидуумов невелико, их вредные воздействия не являются системными. Когда организм стареет, старые клетки накапливаются. Возможно, что накопление этих клеток с измененными функциями и секреторным профилем, приводит к физиологическим изменениям и к нарушению целостности ткани и организма в целом.

Секреторный профиль старых клеток может нарушать микроокружение ткани, которое важно для подавления роста и пролиферации клеток с онкогенными мутациями. Таким образом, повреждения, теломерная дисфункция или ошибки в митогенной сигнализации могут приводить к накоплению старых клеток, но их влияние может становиться значимым и вредоносным только в более позднем возрасте, когда они накопятся в достаточном количестве. Поскольку с возрастом количество клеток с онкогенными мутациями увеличивается, то вероятность их встречи со старыми клетками повышается у пожилых людей. Если это случается, старые клетки создают микроокружение, которое способствует усиленной пролиферации и злокачественной трансформации мутантных клеток. Таким образом, несмотря на защиту от опухоли в молодых организмах, клеточное старение, индуцированное дисфункцией теломер, может способствовать прогрессированию опухоли у старых организмов.

Репликативное старение как основной механизм развития преждевременного старения организма.

Было показано, что некоторые заболевания человека связаны с неадекватным укорочением теломер. Хотя подобные патологии могут в некоторой степени варьировать в своем проявлении, все они приводят к преждевременному старению и ранней гибели организма. В настоящее время известны три синдрома, причиной которых являются мутации в генах, кодирующих голоферменты теломеразы: врожденный дискератоз , апластическая анемия , и некоторые случаи идиопатического легочного фиброза . Пациенты, страдающие врожденным дискератозом, обладают маленьким ростом, страдают от недоразвития половой системы и бесплодия, имеют дефекты кожи и гемопоэтической системы и обычно умирают от недостатка клеток костного мозга. Многие из этих патологий также развиваются у мышей, нокаутных по теломеразе. Совсем недавно обнаруженный синдром, идиопатический легочный фиброз, является гипертрофическим летальным заболеванием, связанным с прогрессивным образованием рубцов в легких, вследствие чего развивается легочная недостаточность.
Также было показано, что человеческие сегментарные прогероидные синдромы связаны с клеточным старением, а клетки, полученные из таких пациентов, обычно обладают ограниченной жизнеспособностью in vitro. Наиболее изученными являются синдром Вернера , или прогерия взрослых, и синдром Хатчинсона-Гилфорда , или прогерия детей. Синдром Вернера является аутосомальным рецессивным расстройством, причиной которого служат мутации в гене WRN, кодирующем хеликазы семейства RecQ, которые вовлечены в репарацию ДНК и транскрипцию. Пациенты с синдромом Вернера проявляют фенотип старых людей, для которого характерны поседение волос, плешивость, двусторонняя катаракта, диабет 2 типа, недоразвитие половой системы, остеопороз и атеросклероз; продолжительность жизни таких пациентов составляет в среднем не более 47 лет, причиной смерти обычно является развитие рака или заболевание сосудов. Синдром Хатчинсона-Гилфорда является аутосомальным доминантным расстройством, причиной которого служит мутация в гене LMNA, кодирующем ламин А/С, что приводит к экспрессии сплайсингового варианта прогерина. Пациенты, страдающие синдромом Хатчинсона-Гилфорда, также проявляют фенотип старых людей, включая очень маленький рост, характерные особенности старости на лице, утрату волос, липодистрофию, склеродермию, остеолиз и атеросклероз; гибель наступает в среднем в возрасте 12 лет, как результат инфаркта миокарда или инсульта. Хотя генетические дефекты при синдроме Вернера и синдроме Хатчинсона-Гилфорда различны, были представлены доказательства, что в обоих случаях усиленное клеточное старение связано с повышенной скоростью укорочения теломер.

Синдром Вернера

Заключение.

Более чем 45 лет назад были сделаны важнейшие открытия в понимании молекулярных механизмов старения клеток. Однако до сих пор остаются вопросы, на которые наука затрудняется ответить. Одним из основных вопросов по сей день является необходимость поиска биологических маркеров, с помощью которых можно было бы безошибочно отличить клетку, находящуюся в состоянии репликативного старения, от нормальной клетки в стадии покоя. Параметры, которые в настоящее время используются для этих целей весьма неспецифичные. Как было сказано выше, они включают необратимый арест клеточного роста, изменения в морфологии (уплощение, увеличение и гранулированность клеток), а также позитивное окрашивание на -галактозидазу, ассоциированную со старением, активную при рН6. Однако, что касается морфологических признаков, они весьма субъективны. Экспрессия же -галактозидазы, активной при рН6, возможна вследствие не только старения, но и других процессов, протекающих в клетке и ткани. Поэтому необходим однозначный и специфический маркер или маркеры, и до тех пор, пока не появится такой маркер, сложно будет корректно определить наличие и количество старых клеток in vivo. Благодаря недавно полученным результатам по оценке экспрессии генов, для ученых, изучающих старение, открылись новые возможности для того, чтобы идентифицировать и охарактеризовать специфические маркеры старения.

Изучение роли клеточного старения в многообразии возрастных патологий становится все более востребованной темой. Как обсуждалось выше, неоспоримые экспериментальные доказательства сейчас существуют и показывают связь между повышенной скоростью клеточного старения и усиленным старением организма. Степень, с которой клеточное старение способствует природной продолжительности жизни разных видов животных, сейчас остается неустановленной. Вероятно, что клеточное старение является одним из нескольких (или многих?) факторов, которые влияют или способствуют старению организма.

За исключением р53-р21 и р16-pRb путей, немного известно о компонентах генетических путей старения. Было идентифицировано множество генов, экспрессия которых изменяется в старых клетках, но остается неизвестным, являются ли эти изменения в генной экспрессии причиной или следствием процесса старения. Идентификация и характеристика новых генетических компонентов путей старения сможет обеспечить понимание молекулярных механизмов старения, а также предоставить необходимые инструменты для модулирования путей старения in vivo. Имея возможность манипулировать процессами старения in vivo, можно будет предотвращать или хотя бы замедлять развитие патологических состояний, связанных с возрастными изменениями организма.

8. Chen J.-H., Hales C.N., Ozanne S.E. "DNA damage, cellular senescence and organismal ageing: causal or correlative?"

9. Campisi J. "Senescent cells, tumor suppression and organismal ageing: good citizens, bad neighbors".

10. Jeyapalan J.C., Sedivy J.M. "Cellular senescence and organismal aging".

11. Shay J.W., Wright W.E. "Senescence and immortalization: role of telomeres and telomerase".