Войти
Предел Хейфлика предполагает, что средняя клетка будет делиться примерно 50 раз, прежде чем достигнет стадия, известная как старение. По мере деления клетки теломеры на конце линейной хромосомы становятся короче. В конечном итоге теломеры больше не будут присутствовать на хромосоме. Эта конечная стадия является концепцией, которая связывает ухудшение теломер со старением. 
(Верхний) Первичные эмбриональные фибробластные клетки мыши (MEF) до старения. Веретенообразные.. (нижний) MEFs стали стареть после пассажей. Клетки становятся больше, имеют более плоскую форму и экспрессируют ассоциированную со старением β-галактозидазу (SABG, синие области), маркер клеточного старения. Клеточное старение - это явление, характеризующееся прекращением деление клетки. В своих новаторских экспериментах в начале 1960-х годов Леонард Хейфлик и Пол Мурхед обнаружили, что нормальные человеческие эмбриональные фибробласты в культуре достигают максимум примерно 50 удвоений клеточной популяции, прежде чем станут стареющими. Этот процесс известен как «репликативное старение» или предел Хейфлика. Открытие Хейфликом смертных клеток проложило путь к открытию и пониманию молекулярных путей клеточного старения. Клеточное старение может быть инициировано множеством факторов, вызывающих стресс. Эти факторы стресса включают как внешние, так и внутренние повреждающие события, аномальный рост клеток, окислительный стресс, факторы аутофагии и многое другое.
Физиологическое значение для клеточного старения было приписано предотвращению канцерогенеза, а в последнее время - старению, развитию и восстановлению тканей. Старые клетки вносят вклад в старение фенотипа, включая синдром слабости, саркопению и связанные со старением заболевания. Старые астроциты и микроглия способствуют нейродегенерации.
Механически репликативное старение может быть вызвано ответом на повреждение ДНК из-за укорочения теломер. Клетки также могут быть вызваны к старению посредством повреждения ДНК в ответ на повышенные активные формы кислорода (ROS), активацию онкогенов и слияние клеток и клеток. Обычно клеточное старение достигается за счет сочетания множества факторов (например, укорочения теломер и окислительного стресса). Ответ на повреждение ДНК (DDR) останавливает развитие клеточного цикла до тех пор, пока повреждения ДНК, такие как двухцепочечные разрывы (DSB), не будут восстановлены. Стареющие клетки демонстрируют стойкую DDR, которая, по-видимому, устойчива к эндогенным действиям по репарации ДНК. Длительная DDR активирует киназы повреждения ДНК как ATM, так и ATR. Каскад фосфорилирования, инициированный этими двумя киназами, в конечном итоге вызывает остановку клеточного цикла. В зависимости от серьезности повреждения ДНК, клетки больше не могут подвергаться восстановлению и либо проходят апоптоз, либо клеточное старение. Такие стареющие клетки в культуре и тканях млекопитающих сохраняют маркеры DSB и DDR. Было высказано предположение, что сохраненные DSB являются основными движущими силами процесса устаревания. Мутации в генах, относящиеся к поддержанию генома, были связаны с заболеваниями преждевременного старения, подтверждая роль клеточного старения в старении (см. теория старения о повреждении ДНК ).
Истощение NAD + может привести к повреждению ДНК и клеточному старению в клетках гладких мышц сосудов.
Хотя стареющие клетки больше не могут реплицироваться, они остаются метаболически активными и обычно принимают иммуногенный фенотип, состоящий из провоспалительного секретома, повышающей регуляции иммунных лигандов, ответной реакции выживания, беспорядочных половых связей экспрессия гена (pGE) и положительное окрашивание на связанную со старением активность β-галактозидазы. Два белка, связанная со старением бета-галактозидаза и p16, рассматриваются как биомаркеры клеточного старения. Однако это приводит к ложноположительным результатам для клеток, которые в природе содержат эти два белка, таких как созревающие ткани макрофаги с связанной со старением бета-галактозидазой и Т-клетки с p16.
Стареющие клетки могут претерпевать преобразование в иммуногенный фенотип, что позволяет им устраняться иммунной системой. Этот фенотип состоит из провоспалительного секретома, активации иммунных лигандов, реакции, способствующей выживанию, беспорядочной экспрессии генов (pGE) и окрашивания положительный по активности связанной со старением β-галактозидазы. Ядро стареющих клеток характеризуется ассоциированным со старением гетерохроматином фокусами (SAHF) и сегментами ДНК с изменениями хроматина, усиливающими старение (DNA-SCARS). Старые клетки влияют на подавление опухоли, заживление ран и, возможно, на эмбриональное / плацентарное развитие, а также на патологическую роль в возрастных заболеваниях.
Теломеры представляют собой тандемные повторы ДНК на концах хромосом, которые укорачиваются во время каждого цикла деления клеток. В последнее время роль теломер в клеточном старении вызвала всеобщий интерес, особенно с точки зрения возможных генетически неблагоприятных эффектов клонирования. Также полагают, что последовательное сокращение теломер хромосомы с каждым клеточным циклом ограничивает количество делений клетки, способствуя старению. После достаточного укорочения белки, ответственные за поддержание структуры теломер, такие как TRF2, вытесняются, в результате чего теломеры распознаются как место двухцепочечного разрыва. Это вызывает репликативное старение. Некоторые клетки не стареют и описываются как «биологически бессмертные ». Теоретически после открытия точного механизма биологического бессмертия можно генетически сконструировать клетки с такой же способностью. Длина теломерной нити имеет эффект старения; Укорочение теломер активирует обширные изменения в альтернативном сплайсинге РНК, которые производят стареющие токсины, такие как прогерин, который разрушает ткань и делает ее более склонной к отказу.
BRAF и Ras - два онкогена, участвующих в клеточном старении. BRAF вызывает старение за счет синтеза и секреции IGFBP7. Ras активирует каскад MAPK, что приводит к повышенной активации p53 и положительной регуляции p16. Переход в состояние старения из-за мутаций онкогенов является необратимым и получил название онкоген-индуцированного старения (OIS).
Интересно, что даже после онкогенной активации ткани некоторые исследователи идентифицировали фенотип старения. Исследователи определили стареющий фенотип в доброкачественных поражениях кожи, несущих онкогенные мутации, у пациентов с нейрофибромой с дефектом, который конкретно вызывает увеличение Ras. Этот результат был хорошо воспроизводим при доброкачественных поражениях предстательной железы, меланоцитарных поражениях у облученных УФ-излучением HGF / SF-трансгенных мышей, в лимфоцитах и молочной железе у трансгенных мышей N-Ras, а также при гиперплазиях гипофиза мышей с нарушенной регуляцией. E2F активность. Ключ к этим открытиям заключается в том, что генетические манипуляции, устраняющие реакцию старения, привели к полномасштабной злокачественной опухоли этих карцином. Таким образом, данные свидетельствуют о том, что стареющие клетки могут быть связаны с предзлокачественными стадиями опухоли. Более того, было высказано предположение, что фенотип старения может служить многообещающим маркером для определения стадии. Существует два типа старения in vitro. Необратимое старение, которое опосредуется путями INK4a / Rb и p53, и обратимый фенотип старения, который опосредуется p53. Это говорит о том, что путь p53 может быть эффективно использован в качестве терапевтического вмешательства для запуска старения и, в конечном итоге, уменьшения туморогенеза.
Было показано, что p53 имеет многообещающую терапевтическую значимость в онкологическом контексте. В статье 2007 г. в Nature, написанной Xue et al., РНКи использовались для регуляции эндогенного p53 в модели карциномы печени. Xue et al. использовали модель химерного рака печени у мышей и трансдуцировали эту модель онкогеном ras. Они взяли эмбриональные клетки-предшественники, трансдуцировали эти клетки онкогенными ras вместе с белком-трансактиватором тетрациклина (tta) для контроля экспрессии р53 с использованием доксициклина, аналога тетрациклина и короткой шпилечной РНК (shRNA), отвечающей за тетрациклин. В отсутствие Dox р53 активно подавлялся по мере увеличения уровней микроРНК, поэтому при введении Dox микроРНК р53 отключалась для облегчения экспрессии р53. Рак печени, который экспрессировал Ras, демонстрировал признаки старения после реактивации p53, включая увеличение ассоциированного со старением белка B-галактозидазы. Даже если экспрессия p53 временно активировалась или деактивировалась, наблюдали старение через SA B-gal. Xue et al. показывают, что при кратковременной реактивации p53 в опухолях без функциональной активности p53 наблюдается регресс опухоли. Индукция клеточного старения была связана с увеличением воспалительных цитокинов, как и ожидалось на основании SASP. Наличие как старения, так и повышения иммунной активности способно регрессировать и ограничивать рост карциномы печени в этой модели на мышах.
Сообщается о нескольких сигнальных путях, которые приводят к клеточному старению включая пути p53 и p16. Оба эти пути активируются в ответ на клеточные стрессоры и приводят к ингибированию клеточного цикла. p53 активирует p21, который дезактивирует циклин-зависимую киназу 2 (Cdk 2). Без Cdk 2 белок ретинобластомы (pRB) остается в своей активной гипофосфорилированной форме и связывается с фактором транскрипции E2F1, важным регулятором клеточного цикла. Это репрессирует транскрипционные мишени E2F1, что приводит к остановке клеточного цикла после того, как фаза G1.
p16 также активирует pRB, но через инактивацию циклин-зависимой киназы 4 (Cdk 4) и циклин-зависимая киназа 6 (Cdk 6). p16 отвечает за индукцию преждевременного старения, вызванного стрессом. Это не необратимо; молчание p16 посредством метилирования промотора или делеции локуса p16 позволяет клетке возобновить клеточный цикл, если старение было инициировано активацией p16.
Связанный со старением секреторный фенотип (SASP) экспрессия гена индуцируется рядом факторов транскрипции, включая C / EBPβ, из которых самый важный - NF-κB. Аберрантные онкогены, повреждение ДНК и окислительный стресс индуцируют митоген-активируемые протеинкиназы, которые являются вышестоящими регуляторами NF-κB.
Старые клетки особенно часто встречаются в коже и жировой ткани. Старые клетки обычно больше, чем не стареющие клетки. Превращение делящейся клетки в неделящуюся стареющую клетку - медленный процесс, который может занять до шести недель.
секретом стареющих клеток очень сложен. Эти продукты в основном связаны с воспалением, пролиферацией и изменениями во внеклеточном матриксе. Секреторный фенотип, связанный со старением (SASP), состоящий из воспалительных цитокинов, факторов роста и протеаз, является другой характерной особенностью стареющих клеток. Существует множество эффекторных механизмов SASP, которые используют аутокринную или паракринную передачу сигналов. SASP вызывает ответ развернутого белка в эндоплазматическом ретикулуме из-за накопления развернутых белков, что приводит к протеотоксическому нарушению функции клеток. Аутофагия активирована для повышения выживаемости.
С учетом цитокинов молекулы SASP IL-6 и IL-8 могут вызывать старение, не влияя на здоровые соседние клетки. IL-1beta, в отличие от IL-6 или IL-8, способен вызывать старение в нормальных клетках с помощью паракринной передачи сигналов. IL-1beta также зависит от расщепления IL-1 каспазой-1, вызывая провоспалительный ответ. Факторы роста, GM-CSF и VEGF также служат молекулами SASP. С клеточной точки зрения, взаимодействие транскрипционных факторов NF-κB и C / EBP β увеличивает уровень экспрессии SASP. Регуляция SASP осуществляется посредством аутокринной петли уровня транскрипции, но, что наиболее важно, посредством непрерывной DDR. Белки p53, p21, p16ink4a и Bmi-1 были названы основными сигнальными факторами старения, что позволяет им служить маркерами.. Другие маркеры регистрируют морфологические изменения, реорганизацию хроматина, устойчивость к апоптозу, изменение метаболизма, увеличение цитоплазмы или аномальную форму ядра. SASP обладают различными эффектами в зависимости от клеточного контекста, включая воспалительные или противовоспалительные и опухолевые или противоопухолевые эффекты. Хотя они считаются про-онкогенным эффектом, они, вероятно, поддерживают уже примированные опухолью клетки вместо того, чтобы переводить здоровые клетки в состояние трансформации. Аналогичным образом, они действуют как противоопухолевые протекторы, способствуя удалению поврежденных клеток фагоцитами. SASP связан со многими возрастными заболеваниями, включая диабет 2 типа и атеросклероз. Это побудило исследователей разработать сенолитические препараты для уничтожения и уничтожения стареющих клеток для улучшения здоровья пожилых людей. Ядро стареющих клеток характеризуется фокусами гетерохроматина, связанными со старением (SAHF), и сегментами ДНК с изменениями хроматина, усиливающими старение (DNA-SCARS).
Старые клетки влияют на подавление опухоли, заживление ран и, возможно, на эмбриональное / плацентарное развитие, и играют патологическую роль в возрастных заболеваниях. Известно два основных пути подавления опухоли, опосредующих старение: и INK4A / RB. Более конкретно, супрессор опухоли p16INK4a-pRb и p53 являются известными эффекторами старения. Большинство раковых клеток имеют мутировавшие p53 и p16INK4a-pRb, что позволяет раковым клеткам избежать старческой судьбы. Белок p16 является ингибитором циклинзависимой киназы (CDK) и активирует супрессор опухоли Rb. p16 связывается с CDK 4/6, ингибируя активность киназы и подавляя опухолевый супрессор Rb посредством фосфорилирования. Было показано, что опухолевый супрессор Rb связывается с E2F1 (белком, необходимым для транскрипции) в его монофосфорилированной форме, что ингибирует транскрипцию нижестоящих генов-мишеней, участвующих в переходе G1 / S. В рамках петли обратной связи повышенное фосфорилирование Rb увеличивает экспрессию p16, которая ингибирует Cdk4 / 6. Снижение активности киназы Cdk4 / 6 приводит к более высоким уровням гипофосфорилированной (монофосфорилированной) формы Rb, что впоследствии приводит к снижению уровней экспрессии p16.
Удаление агрегированных p16 INK 4A-положительных стареющих клеток может задерживать нарушение функции тканей и в конечном итоге продлить жизнь. В статье Nature 2011 г., опубликованной Бейкером и др. новый трансген, INK-ATTAC, был использован для индуцируемой элиминации p16 INK4A-позитивных стареющих клеток под действием индуцированной низкими молекулами активации каспазы 8, что привело к апоптозу. Для проверки последствий удаления p16INK4a использовали модель мышей BubR1 H / H, которая, как известно, испытывала клинико-патологические характеристики старения-бесплодия, аномального искривления позвоночника, саркопении, катаракты, потери жира, истончения кожи, аритмий и т.д. У этих мышей p16 INK4a агрегируется в стареющих тканях, включая скелетные и глазные мышцы, а также жировые ткани. Бейкер и др. обнаружили, что если удалить стареющие клетки, можно отсрочить возрастные нарушения. Р16 играет важную роль не только в старении, но и в аутоиммунных заболеваниях, таких как ревматоидный артрит, которые прогрессивно приводят к нарушению подвижности на поздних стадиях заболевания.
В нервной системе старение описано в астроцитах и микроглии., но менее понятен в нейронах. Поскольку старение задерживает деление клеток, исследования старения в головном мозге были сосредоточены в основном на глиальных клетках, и меньше исследований было сосредоточено на неделящихся нейронах.
Из-за неоднородная природа стареющих клеток, разные клетки иммунной системы устраняют разные стареющие клетки. Специфические компоненты факторов секреторного фенотипа , ассоциированного со старением (SASP), секретируемые стареющими клетками, привлекают и активируют различные компоненты как врожденной, так и адаптивной иммунной системы.
Естественный убийца клетки (NK-клетки) и макрофаги играют главную роль в очищении от стареющих клеток. Естественные клетки-киллеры непосредственно убивают стареющие клетки и продуцируют цитокины, которые активируют макрофаги, которые удаляют стареющие клетки. Стареющие клетки могут быть фагоцитизированы нейтрофилами, а также макрофагами. Сенолитические препараты, которые вызывают апоптоз в стареющих клетках, полагаются на фагоцитарные клетки иммунной системы для удаления апоптозированных клеток.
Естественные клетки-киллеры могут использовать NKG2D рецепторы активации киллеров для обнаружения MICA и лиганды ULBP2 , которые становятся активированы на стареющих клетках. Стареющие клетки уничтожаются с использованием перфорин порообразующего цитолитического белка. CD8 + цитотоксические Т-лимфоциты также используют рецепторы NKG2D для обнаружения стареющих клеток и способствуют уничтожению, как и NK-клетки.
Старение иммунной системы (иммуносарение ) приводит к уменьшению способности иммунной системы удалять стареющие клетки, что приводит к увеличению количества стареющих клеток. Хроническое воспаление, вызванное SASP от стареющих клеток, также может снизить способность иммунной системы удалять стареющие клетки. Сообщалось, что Т-клетки, В-клетки и NK-клетки стареют самих себя. Стареющие стареющие CD8 + цитотоксические Т-лимфоциты становятся более врожденными по структуре и функциям, напоминая NK-клетки. Клетки иммунной системы могут быть привлечены SASP к стареющим клеткам, после чего SASP из стареющих клеток может вызвать старение клеток иммунной системы.
Т-клетки химерного антигенного рецептора были предложены в качестве альтернативы сенолитическим препараты для устранения стареющих клеток. Рецепторы урокиназы были обнаружены в высокой степени экспрессии на стареющих клетках, что побудило исследователей использовать Т-клетки химерного антигена для устранения стареющих клеток у мышей. Клетки-киллеры химерного антигенного рецептора были предложены в качестве аллогенного средства устранения стареющих клеток.
Важно понимать, что клеточное старение по своей сути не является негативным явлением. Во время эмбриогенеза млекопитающих запрограммированное клеточное старение играет роль в ремоделировании ткани посредством инфильтрации макрофагов и последующего удаления стареющих клеток. Исследование мезонефроса и эндолимфатического мешка у мышей подчеркнуло важность клеточного старения для возможного морфогенеза эмбриональной почки и внутреннего уха соответственно.
Они служат для непосредственного восстановления и регенерации тканей. Клеточное старение ограничивает фиброз во время закрытия раны, вызывая остановку клеточного цикла в миофибробластах после того, как они выполнили свою функцию. Когда эти клетки выполнили эти задачи, иммунная система устраняет их. Это явление называется острым старением.
Негативные последствия клеточного старения проявляются при переходе от острого к хроническому старению. Когда иммунная система не может очистить стареющие клетки со скоростью, с которой они производятся, возможно, в результате снижения иммунной функции с возрастом, накопление этих клеток приводит к нарушению гомеостаза тканей.
Было показано, что трансплантации лишь нескольких (1 на 10000) стареющих клеток худым мышам среднего возраста достаточно, чтобы вызвать слабость и раннее начало заболеваний, связанных со старением и преждевременной смерти.
Было показано, что биомаркеры клеточного старения накапливаются в тканях пожилых людей. Считается, что накопление стареющих клеток в тканях позвоночных с возрастом способствует развитию заболеваний, связанных со старением, включая болезнь Альцгеймера, амиотрофию. боковой склероз, диабет 2 типа и различные раковые заболевания.
прогерия - еще один пример заболевания, которое может быть связано со старением клеток. Считается, что болезнь вызвана мутациями в ответе на повреждение ДНК, укорочением теломер или их комбинацией. Прогероидные синдромы - все это примеры болезней старения, в которых, по-видимому, замешано клеточное старение.
Нацеливание на стареющие клетки является многообещающей стратегией для преодоления возрастных заболеваний, одновременного облегчения множественных сопутствующих заболеваний и смягчения последствий слабость. Удаление стареющих клеток путем индукции апоптоза - самый простой вариант, и было показано, что для этого есть несколько агентов. Некоторые из этих сенолитических препаратов используют преимущества антиапоптотических путей стареющих клеток (SCAP); подавление экспрессии белков, участвующих в этих путях, может привести к гибели стареющих клеток, оставляя здоровые клетки.
У некоторых организмов старение клеток не наблюдается, в том числе многолетние растения, губки, кораллы и лобстеры. У других организмов, где наблюдается клеточное старение, клетки в конечном итоге становятся пост- митотическими : они больше не могут воспроизводить себя в процессе клеточного митоза (т.е. клетки испытывают репликативное старение). Как и почему клетки становятся постмитотическими у некоторых видов, было предметом многочисленных исследований и предположений, но было высказано предположение, что клеточное старение возникло как способ предотвращения возникновения и распространения рака. Соматические клетки, которые делились много раз, накапливают ДНК мутации и будут более восприимчивы к злокачественным, если деление клеток продолжится. Таким образом, становится очевидным, что стареющие клетки претерпевают преобразование в иммунологический фенотип, который позволяет им устраняться иммунной системой.
СМИ, связанные с клеточным старением на Wikimedia Commons