Кліткове старіння
Клітинне старіння- явище, яке зазвичай пов'язують із втратою здатності клітини до поділу (межа Хейфліка). Цей процес також називається реплікативним старінням. В українськомовній літературі під терміном клітинне старіння ще розуміють зниження функціональної активності клітин у міру збільшення їхнього віку.
Клітини, що ростуть у культурі, можуть ділитися лише кілька разів, після чого переходять у стадію старіння. Такі клітини характеризуються зниженням інтенсивності енергообміну, уповільненням синтезу РНК та білків, зниженням ефективності репарації ДНК та накопиченням мутацій. Часто спостерігається розбалансування клітинного регулювання. Ознаками клітинного старіння вважаються накопичення специфічного гліколіпопротеїду ліпофусцину та активація бета-галактозидази. Кліткове старіння було висвітлено на клітинах різного типу. [1] .
Старі клітини можуть довгий час залишатися життєздатними. Нерідко після зупинки поділу та гальмування клітинного циклу у них не настає програмованої клітинної загибелі. Зазвичай вони знищуються клітинами імунної системи. З віком в організмі відбувається накопичення старих клітин, ймовірно, внаслідок погіршення виконання імунної системи своїх функцій.
Старіючі клітини можуть впливати як на сусідні клітини, так і на весь організм, виділяючи певні сигнальні молекули. Вплив цей різноманітний, вивчений недостатньо і, загалом, швидше негативний [2] . Схоже, що клітинне старіння одна із механізмів старіння організму.
Зміст
Укорочення теломер
Укорочення теломер, кінцевих ділянок ДНК на кінцях хромосом - одна з основних причин обмеження числа клітинного поділу та клітинного старіння. Функцією теломер є захист хромосом від деградації та«злипання» їх одне з одним. Аналіз довжини теломерних повторів виявив, що соматичні клітини втрачають від 50 до 200 нуклеотидів при кожному клітинному поділі [3]. Це відбувається через те, що ДНК-полімераза не здатна реплікувати кінці молекул ДНК. За відсутності в клітинах активної теломерази після певної кількості поділів відбувається сильне скорочення теломер, і клітина перестає ділитися. Число клітинного поділу, яке відбулося до цього моменту, зветься межі Хейфліка. Для більшості соматичних клітин людини ця межа становить близько п'ятдесяти фаз розподілу.
Сама ідея рахунку фаз розподілу та старіння внаслідок недореплікації ДНК на кінцях хромосом (тіломірних ділянок) належить українському вченому О. М. Оловнікову. Теорія була висунута в 1971 для пояснення експериментальних даних Леонарда Хейфліка і отримала назвумаргінотомії.
Вважається, що скорочення хромосом до певного розміру обумовлює процес клітинного старіння, а довжина теломер, за цими уявленнями, може бути мірою клітинного потенціалу поділу [4] .
Слід зазначити, що у клітин хворих на синдром Хатчінсона - Гілфорда (дитяча прогерія) межа Хейфліка значно знижена. Подібна картина спостерігається у хворих на синдром Вернера (прогерія дорослих). І тут хворі нормально доживають до 17-18 років, але починають стрімко старіти, перейшовши цей рубіж. Теломери у таких хворих нормальної довжини, але через мутації їхня ДНК більш чутлива до руйнування, ніж ДНК здорової людини.
Згідно з ще однією моделлю, у молодих клітин поки ще довгі теломери знаходяться в області гетерохроматину. У міру укорочення теломер область гетерохроматину включає все більше субтеломерной ДНК, де, можливо, знаходиться якийсь ген-супресор, який пригнічує програму клітинного старіння. Інактивація цього гена шляхом включення його в область гетерохроматину і призводить до запуску старіння [5] .
Роль фосфоінозітід-3-кінази
Фосфоінозитид-3-кіназа (PI3K) контролює проліферацію клітин та апоптоз. Існують дані щодо впливу PI3K на регуляцію клітинного старіння.
Ген Age1 нематоди Caenorhabditis elegans є гомологом гена ссавців, що кодує каталітичну субодиницю PI3K. Мутації в гені Age1 значно збільшують тривалість життя хробаків [6] .
Інгібування PI3K у культурі людських фібробластів призводить до гальмування їхньої проліферації. Клітини демонструють ознаки, характерні для старіючих клітин: активацію бета-галактозидази, підвищення експресії гена колагенази та пригнічення експресії специфічного маркера фібробластів, що проліферують, гена EPC-1 (англ. early population doubling level cDNA 1 ) [7] .
Зміна відповіді на фактори зростання
У міру старіння клітин зменшується їхня здатність реагувати на певні зовнішні стимули. Ефект дії факторів росту, гормонів та інших стимулюючих агентів на старі клітини набагато нижчий, ніж на молоді, здатні до активного поділу. Токсини, антибіотики, радіація та тепловий шок, навпаки, надають на них сильніший вплив.
Відомо, що культура клітин пацієнтів, які страждають на синдром передчасного старіння, таким як прогерія і синдром Вернера, дає значно нижчу відповідь на стимуляцію інсуліном, сироваткою та іншими факторами, ніж клітини здорових людей [8] .
Рецепторна система клітин не змінюються при старінні. Таким чином, зниження клітинної відповіді на фактор росту не пов'язане із зменшенням кількості їх рецепторів.
Зупинка клітинного циклу
При старінні клітин спостерігається незворотне блокування клітинного циклу. Точний механізм, який заважає клітині перейти в S-фазу, поки невідомий. Однак наголошується, що при проліферативному старінні клітин відсутня експресія деяких генів, що забезпечують перебіг клітинного циклу. У старіючих клітинах пригнічена експресія циклінів, Cdk2 [9], інсуліноподібного фактора росту 1 (IGF-1) [10], а також деяких інших факторів. При цьому жодні екзогенні фактори, у тому числі IGF-1, не можуть вивести «стару» клітину зі стану нездатності до поділу.
Існує думка, що апоптоз і перехід клітин у стадію спокою є альтернативною захисною реакцією на дію агентів, що ушкоджують, і необхідні для профілактики онкогенної трансформації клітин. Якщо ушкоджена клітина з тієї чи іншої причини не переходить до апоптозу або клітинного старіння, вона може стати злоякісною [11].
Пухлина може утворитися як з клітин, які експресують теломерази (наприклад, стовбурові клітини), так і клітин, які цього не роблять. У клітинах, у яких теломерази відсутні, скорочення теломер може спричинити реплікативне старіння, яке призначене запобігати розвитку раку. І, навпаки, короткі теломери можуть призвести до збільшення генетичної нестабільності та, відповідно, до утворення пухлини. А в клітинах експресуючих теломерази, її виключення може спричинити генетичну нестабільність [13] .
Однак клітинне старіння може спричинити і розвиток раку. Спочатку ця ідея видається парадоксальною, але еволюційна теорія антагоністичної плейотропії передбачає, що біологічний процес може бути як корисним, так і шкідливим залежно від віку. Більшість тварин розвивається в умовах,рясніють смертельною зовнішньою небезпекою (хижаки, інфекції, голод і т. д.). У умовах літня особина є рідкість і тому відбір проти процесів, які у пізніх етапах життя сприяють виникненню хвороби, є слабким. Тобто вони уникають впливу процесу природного відбору. Таким чином, біологічний процес, який був потрібен для розвитку витривалості у молодого організму (наприклад, пригнічення пухлиноутворення) може завдавати шкоди для зрілого організму (викликаючи хвороби пізнього віку, включаючи рак) [14] .