10
15283

ГЕНЫ КЛЕТОЧНОГО СТАРЕНИЯ

Старение клетки - загадочный процесс, возможно играющий определяющую роль в старении целостного организма. Мы находимся на пути к его пониманию и контролю

на сайте с 6 декабря 2008

Репликативное старение

В середине XX века Леонард Хейфлик обнаружил старение в культуре клеток. Он выяснил, что фибробласты человека in vitro способны делиться ограниченное число раз (50±10). Возникло предположение, что «митотические часы» находятся внутри каждой клетки, о чем свидетельствовало два наблюдения: нормальные фетальные человеческие фибробласты в культуре подвергаются только определенному числу удвоений популяции, а криогенно сохраненные клетки «помнят» сколько раз они делились до заморозки.

Теломераза

А.М. Оловников на конференции по генетике старения в Сыктывкаре Еще в 1971 г. А.М. Оловников предсказал укорочение концов хромосом (теломер) в процессе клеточного деления и существование особого фермента, достраивающего теломеры. Он постулировал роль укорочения теломер в обнаруженном Л. Хейфликом явлении репликативного старения.

Элизабет Блекберн


Существование фермента, получившего название «теломераза», было экспериментально доказано Э. Блекберн (на фото) и К. Гэйдер (статья). Однако его роль в старении долго оставалась гипотетической. Известно было лишь, что теломераза перестает работать в дифференцированных соматических клетках взрослого человека, сохраняя свою активность в половых и стволовых клетках, а также в клетках большинства опухолей. Однако недавно группой Блекберн было показано (статья), что при более низких концентрациях теломеразы и меньшей длине теломер в лимфоцитах периферической крови у человека в несколько раз увеличивается риск сердечно-сосудистых заболеваний, которые, как известно, составляют главную причину старческой смертности.

Сверхэкспрессия теломеразы


Было доказано, что реактивация теломеразы продлевает "репликативную" жизнь соматических клеток (увеличивает число их делений). Однако это именно то, что происходит в опухолях и делает их злокачественными. Как замедлить старение, но не вызвать при этом злокачественные новообразования? В программе исследований, нацеленных на достижение долголетия человека мы предложили следующий подход: "Реактивация теломеразы в пролиферирующих клетках на фоне стимулирования активности нормальных вариантов гена р53 или других онкосупрессоров." (на с. 19). Совсем недавно группе М. Бласко, ученицы К. Грэйдер, удалось доказать это на практике, на мышах. Оказалось (статья), что конститутивная сверхэкспрессия обратной транскриптазы (субъединицы теломеразы) у линий мышей с повышенной активностью ключевых супрессоров опухолей (р53, р16 и ARF) приводит к значительному увеличению медианной продолжительности жизни и замедлению различных показателей старения (в частности, кожи и кишечника).

Гены клеточного старения p53 и p21


Таким образом, клеточное старение – генетическая программа необратимой остановки клеточного цикла, блокирующая реакцию клетки на пролиферативные стимулы и факторы роста при наличии нерепарируемых повреждений ДНК (например, критически укороченных теломер). Вполне логично предположить, что в эволюции клеточное старение возникло для того, чтобы не дать переродиться генетически поврежденной клетке в опухолевую. Определяющую роль в этом процессе играет ген супрессора опухолей р53.
Его продукт экспрессируется повсеместно во всех типах клеток в виде неактивного, латентного транскрипционного фактора и активируется только тогда, когда клетка подвергается различным стрессам, таким как потеря теломер, повреждение ДНК, активация онкогенов и оксидативный стресс. Несмотря на то, что в стареющих клетках (например, фибробластах) уровень белка р53 или его мРНК не увеличивается, возрастает степень его фосфорилирования и, следовательно, ДНК-связывающая активность. В результате уровень основной мишени р53, белка р21, в стареющих клетках значительно повышен, причем он нарастает с числом клеточных делений. Именно р21 отвечает за р53-зависимую остановку клеточных делений. Каким образом р53-зависимая индукция гена р21 приводит к клеточному старению? Белок р21 ингибирует ключевые регуляторы клеточного цикла – циклин-зависимые киназы, а также блокирует репликацию ДНК, связываясь с ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA), что и обусловливает необратимость клеточного старения.

Гены клеточного старения p16 и ARF

Кодируемые другим локусом (INK4A-ARF) белки p16 и p14 (ARF) также представляют собой ключевые регуляторы клеточного старения. Белок p16, как и р21, выступает в роли ингибитора циклин-зависимых киназ. Экспрессия p16 заметно увеличивается с возрастом практически во всех тканях. Это результат активации белка митоген-активируемой протеинкиназы p38 в ответ на оксидативный или генотоксический стресс, которая опосредованно повышает уровень экспрессии р16.

р53 и старение постмитотических клеток

Как оказалось, р53 играет определяющую роль не только при старении пролиферирующих клеток, но и постмитотических, таких как нейроны или клетки сердечной мышцы  (статья). Каким образом это влияние осуществляется? По-видимому, здесь идет речь о р53-зависимом апоптозе. Например, экспрессия доминантно-негативных, неспособных связываться с ДНК вариантов р53 в нейронах взрослых особей дрозофил приводит к продлению на 10-20% медианной и максимальной продолжительности жизни (статья). В то же время, различные линии мышей (p53+/m, р44, pL53 и P+/+) с измененными (сверхактивными) формами p53 характеризуются ускоренным старением. Такие мыши характеризуются короткой продолжительностью жизни и ускоренным развитием возрастзависимых патологий (обзор). Однако, в ряде случаев, мыши с добавочными копиями гена р53, находящимися под нормальным генетическим контролем экспрессии, характеризуются усиленным ответом на повреждение ДНК, низкой частотой рака, но не проявляют признаков ускоренного старения, либо стареют медленнее (статья).

Связь старения клетки и организма

Очевидно, что клеточное старение - это еще не старение целого организма, ведь на замену одной клетки может встать другая. Есть ли какие-либо данные, свидетельствующие о связи старения клетки и продолжительности жизни целого организма?

Вот некоторые факты: 

-        Длина теломер связана со старением целого организма, по крайней мере, у некоторых групп животных (нематод, перепончатокрылых, приматов, птиц). 

-        Модельные организмы с дефектами теломеразы характеризуются ускоренным старением и пониженной продолжительностью жизни (статья). 

-        Некоторые синдромы ускоренного старения у человека сопряжены с преждевременной дисфункцией теломер (статья). 

-        Стареющие клетки способны активно разрушать межклеточный матрикс, индуцировать локальное воспаление и онкогенез (статья).

-        Снижение пролиферативных способностей или утеря стволовых клеток при старении снижает регенерационные способности любой ткани организма.

Таким образом, клеточное старение (репликативное и стресс-индуцированное), сокращающее количество пролиферирующих клеток вообще и стволовых в частности, приводит к нарушению регенераторных способности тканей. На фоне возрастзависимой активизации апоптоза в ряде тканей и подавления компенсаторной пролиферации (замещения одних клеток другими) наблюдаются дегенеративные нарушения, что снижает функциональные возможности организма в целом. 

Перспективы исследований клеточного старения для долголетия человека

-        Разработка методов определения биологического возраста человека на основании маркеров клеточного старения

-        Создание способов контроля экспрессии генов, участвующих в клеточном старении (теломеразы, р53, р21, р16, ARF) генно-инженерными и фармакологическими методами in vivo

-        Отработка безопасных подходов к перепрограммированию дифференцированных клеток в стволовые in vivo

Основные лаборатории

 Далее приведены ссылки на сайты основных научных групп, активно ведущих исследования в области генетики клеточного старения.

Элизабет Блекберн


Сайт лаборатории:

http://biochemistry.ucsf.edu/labs/blackburn/currentresearch.html

Мария Бласко


Сайт лаборатории:

http://www.cnio.es/ing/grupos/plantillas/presentacion.asp?grupo=50004259

Джуди Кампизи


Сайт лаборатории:

http://www.lbl.gov/lifesciences/labs/campisi_lab.html

Джерри Шей


Сайт лаборатории:

http://www4.utsouthwestern.edu/cellbio/shay-wright/index.html

Шиния Яманака


Сайт лаборатории:

http://www.gladstone.ucsf.edu/gladstone/site/yamanaka/

Обзорные публикации по теме

Ссылки на полные тексты статей:

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter