3
14861

Клеточное старение

Компас посвящен процессам клеточного старения (cell senescence) и его роли в общем процессе старения.

на сайте с 27 августа 2008

Что такое клеточное старение?


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, апоптоз, 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 стволовые клетки 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 посвященном ему компасе.

Старение клетки- старение организма?

John Sedivy, PHD Все клетки организма продуцируют специфические вещества-цитокины, 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

Prof. Mark Birch-Machin Мутации митохондриальной ДНК (мтДНК)- одна из причин возраст-зависимого разрушения клеток, вызываемая в свою очередь действием активных форм кислорода (АФК). Но не для всех этих мутаций доказано значение для клеточного старения. Ученые из Института Клеточной медицины 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 (Статья). 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

Ryuichi Morishita, MD, PhD 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 (статья). В результате исследования было выяснено, что HGF, но не VEGF, смягчает ангиотензин II-индуцированное старение эндотелиальных прогениторных клеток через снижение оксидативного стресса, 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

Arnold J. Levine Белок р53 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, - апоптоз. 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

Thomas von Zglinicki Группа польских ученых из Медицинского Университета Познани, в том числе и профессор Института Старения и Здоровья Университета Ньюкасла Thomas von Zglinicki исследовала уязвимость для оксидативного стресса и различные типы старения человеческих перитонеальных мезотелиальных клеток (статья). 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 теломер 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 оксидативного повреждения ДНК.
Это исследование наглядно показывает, что разные клетки стареют по-разному.

Старение Т-клеток у приматов

Лимфоцит 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.

Группа ученых из Vaccine and Gene Therapy Institute, Oregon Health & Science University- Messaoudi I, Fischer M, Warner J, Park B, Mattison J, Ingram DK, Totonchy T, Mori M и Nikolich-Zugich J- провела исследования старения Т-клеток у приматов и влияния на этот процесс ограничения калорийности питания (caloric restriction (CR)) (статья). Недавно эта группа показала, что у не человекообразных приматов CR приостанавливает старение Т-клеток и предохраняет наивные CD8 и CD4 Т-клетки от преждевременного старения. Применять CR можно в любом возрасте, в соответствии с этим возникает вопрос- как время начала влияет на эффект CR? Для этого сравнили начало CR до пубертатного возраста и в преклонном возрасте и эффект на старение Т-клеток с началом CR в раннем взрослом возрасте. Исследования показали, что CR, начатое во взрослом возрасте, не оказывает эффекта на старение т-клеток, в отличие от раннего и позднего начала CR. Эти результаты говорят о том, что неправильное начало CR может оказаться вредным для поддержания функций Т-клеток. Отсюда следует вывод, что существует некое "временное окно", в которое CR может останавливать старение иммунной системы.

Онковирусы и арест клеточного цикла

Chou-Zen Giam, Ph.D. 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 (статья). 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

Edward Hanley, MD 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 (статья). 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

Paloma Liton, PhD 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, оксидативным повреждением 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 АФК внутри клеток и маркеров воспаления (IL1alpha, IL6, IL8 и ELAM-1), а также маркеров старения (бэта-галактозидазы, липофусцина и гликированных белков). 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

Эндотелий 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.

4 декабря 2008 года

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter