Клеточное старение (англ. Cellular senescence) — перманентный остановка клеточного цикла, во время которой клетка сохраняет метаболическую активность. Может возникнуть по ряду причин, таких как укорочение теломер (репликативной старения) или других типов повреждения ДНК, надактивации онкогенов (старение индуцированное онкогенами, OIS) или потери активности генов супрессоров опухолей и других стрессовых условий. Клеточное старение, прежде всего, является противоопухолевым путем, что предотвращает размножение клеток, которые стали на путь злокачественного перерождения, однако также существуют данные о том, что оно задействовано в процессах восстановления тканей. С другой стороны клеточное старение может иметь и негативные последствия, в частности вносить вклад в старение всего организма, а также, в некоторых случаях, стимулировать развитие злокачественных новообразований.

История исследования

Впервые клеточное старение было описано в 1965 году Хейфлик (англ. Hayflick) и Мургедом (англ. Moorhead). Они заметили, что в культуре нормальные клетки теряют способность к пролиферации через определенное количество делений. Количество митотических делений, которые может осуществить клетка к завершению своего репликативного жизни, была названа чертой Хейфлика. 1990 выяснилось, что причиной так называемого репликативного старения является укорочение теломер. Позже стали известны другие факторы, которые могут вызвать клеточное старение, так в 1997 году Серрано с сотрудниками описали старения обусловлено избыточным митогеном активацией через надекспресия RAS. Через 9 лет было установлено, что и в этом случае старения возникает вследствие повреждения ДНК во время ее интенсивной репликации. 2005 опубликован ряд статей, доказывающих роль клеточного старения в качестве противоопухолевого механизма, обветшавшие клетки обнаружены в ряде человеческих неоплазий. Тогда же появились сведения о том, что клеточное старение может возникать не только в результате надактивации онкогенов, но и вследствие потери генов супрессоров опухолей, в частности PTEN. Дальнейшие исследования позволили установить, что процесс старения может потенциально использоваться для терапии рака, поскольку он является важным компонентом регрессии опухолей после инактивации MYC, и обветшавшие клетки могут быть мишенями для иммунной системы.

Факторы, вызывающие клеточное старение

Во взрослом организмы многоклеточных животных имеющиеся как митоза, так и пост-митоза клетки. Первые способны к делению, хотя большинство из них и находятся в состоянии покоя (фаза G0), то есть временно выходят из клеточного цикла, но могут возвращаться к пролиферации в ответ на действие определенных стимулов. Пост-митоза клетки полностью теряют способность к делению вследствие дифференциации, к ним относятся нейроны, мышечные клетки, эритроциты. Явление клеточного старения касается только митотических клеток, поскольку только они могут давать начало раковым опухолям. Как обветшавшие, так и пост-митоза клетки необратимо утрачивают способность к пролиферации, и хотя причины этого различны, однако некоторые общие эффекторы могут блокировать вхождение в клеточного цикла в обоих случаях.

Укорочение теломер

Первым из выявленных факторов, которые могут вызвать клеточное старение, является укорочение теломер. Такой тип старения называется репликативной. Полимеразы, копируют ДНК, осуществляют синтез только в одном направлении: 5 '→ 3', и присоединяют новые нуклеотиды только к 3 'концу уже имеющихся полинуклеотидов. Поэтому для работы они нуждаются РНК-праймеров, которые расщепляются по завершению репликации и заменяются на ДНК. Однако, когда цепь, отстает, в репликативной вилке достигает конца ДНК, последний праймер разрушается, но не может быть заменен на ДНК из-за отсутствия свободного 3'-конца, который мог бы быть использован в качестве субстрата для ДНК-полимеразы, таким образом с каждым циклом репликации теломерные (конечные) участки линейных ДНК становятся меньше 50-200 нуклеотидов. Этого не спостергаеться в клетках, экспрессирующих теломеразу — обратной транскриптазы, которая может восстанавливать теломеры. Виды отличаются между собой по количеству клеток, в которых имеется теломераза. Так у мышей этот фермент активен в большинстве клеток взрослого организма, тогда как у людей, он работает только в эмбриональных стволовых клетках некоторых стволовых клетках зрелого организма, незначительном количестве обычных соматических клеток, например в активированных Т-лимфоцитах, а также многих раковых клетках.

Функциональные теломеры имеют белковые кепи, препятствующих репарационным системам распознавать концы хромосом как дволанцюгови разрывы ДНК. Попытки репаруваты конце теломер могли бы привести к значительной генетической нестабильности через циклы слияния и разрывов хромосом. Нефункциональные теломеры все же подавляют такие попытки, однако запускают ответ на повреждение ДНК (англ. DNA damage response, DDR), ключевым компонентом которой является белок супрессор опухолей p53. Поскольку укороченные теломеры в клетки не репаруються, это приводит к перманентной активации DDR, в результате чего наступает необратимая остановка килтинного цикла, то есть клеточное старение. Для его запуска достаточно только одной нефункциональной теломеры

Старение, индуцированное сокращением хромосом, иногда обозначают как фаза M1 (англ. Mortality phase 1). Клетки, которые могут делиться в культуре неограниченное количество раз, называют репликативной бессмертными. Хотя термины «иммортализации» и «трансформация» исторически употреблялись как синонимы, клетки могут становиться бессмертными вследствие индукции экспрессии теломеразы, при этом не приобретая признаков злокачественной трансформации. Человеческие клетки могут избегать репликативного старения вследствие потери функции p53, в таком случае они размножаются пока не достигнут состояния кризиса или митотической катастрофы (M2, mortality phase 2), характеризуется выраженной генетической нестабильностью и завершается смертью клетки.

Повреждение ДНК

Укорочение теломер — только один из видов нарушения нормального функционирования генома, может индуцировать клеточное старение. Такой же эффект могут иметь и повреждения ДНК в других местах хромосом, в частности мощными активаторами старения является двухниточные разрывы ДНК, возникающих в результате действия ионизирующей радиации, ингибирование топоизомеразы и под действием других факторов. Многие из цитотоксических соединений, используемых для химиотерапии онкогенных заболеваний, являются агентами повреждения ДНК и могут вызвать клеточное старение как раковых, так и близлежащих клеток.

Оксидативный стресс может приводить к другим типам повреждения ДНК, таких как модификация основ и / и однонитевые разрывы. Однако во время репликации или неудачных попыток репарации эти поражения также могут превращаться в двухниточные разрывы. Например клетки мышей, несмотря на то, что имеют длинные теломеры (> 20 т.п.н.) и обычно экспрессируют теломеразу, обычно стареют всего за несколько разделов при культивировании в стандартных условиях. Это объясняется концентрацией кислорода (20%) выше физиологической. В отличие от человеческих клеток, мышиные очень чувствительны к таким условиям, и высокое содержание кислорода приводит в них к разрывам ДНК. Существуют данные о том, что оксидативный стресс может ускорять укорочение теломер, поскольку их G-богатые последовательности особенно чувствительны к такому воздействию.

Итак прямая или опосредованная генерация двухниточных разрывов ДНК приводит к клеточного старения, причем установлено, что даже один такой разрыв может вызвать необратимую остановку клеточного цикла, если не будет репарованим. Разрывы, как и потеря функциональных теломер, приводят к длительной активации DDR, в результате чего формируются γ-H2AX-положительные ячейки поврежденной ДНК, связанные со старением (англ. Senescence-associated DNA damage foci, SDF), а также происходит активация киназ ATM и ATR, что через Chk1 и Chk2 передают сигнал на p53. В большинстве клеток несколько позже включается также и сигнальный путь p16 INK4a, который регулирует активность Rb.

Эпигеномный повреждения

Причиной возникновения клеточного старения может стать Эпигенетическое повреждения, в частности массовое перегруппировки хроматина. Например ингибиторы гистондеацетилаз, вызывающих преобразования участков гетерохроматина в эухроматин, являются индукторами старения. Такую же реакцию может вызвать снижена активность p300 гистонацетилтрансферазы и c-Myc. В зависимости от типа клеток нарушение структуры хроматина приводит или к запуску DDR несмотря на нехватку настоящих повреждений ДНК, сигнал от которого идет на p53 и p21, или пути p16 INK4a.

Слишком сильная или / и несбалансированная стимуляция пролиферации

Как механизм, подавляющий злокачественное перерождение, клеточное старение может индуцироваться в случаях, когда клетка получает слишком сильные, хронические или / и несбалансированные митогеном сигналы.

Старение индуцированное онкогенами

Старение индуцированное онкогенами или OIS впервые наблюдали in vitro при надекспресия онкогенного формы HRAS (цитоплазматического белка, участвующего в передаче митогеном сигналов) — HRAS G12V — в фибробластах человека. В таких условиях происходит гиперрепилкация ДНК, в свою очередь вызывает DDR специфическую для S-фазы. Такой ответ хоть и отличается от DDR, вызванной двухнитевыми разрывами ДНК или сокращением теломер, но имеет с ними общие эффекторы (p53, который в этом случае активируется через ARF и p16 INK4a) и также приводит к формированию SDF. Похожий эффект имеют онкогенные версии или надекспресия других членов сигнального пути RAS (RAF, MEK, MOS и BRAF), а также ядерных белков, способствующих пролиферации, таких как E2F-1. OIS не происходит при культивировании клеток в среде без сыворотки, свидетельствует о том, что именно избыточные митогеном сигналы стимулируют старения.

Большинство деталей функционирования OIS изучались in vitro, но несколько мышиных моделей показывают, что этот процесс действительно важный для супрессии опухолей in vivo. В пользу такого предположения свидетельствует также и тот факт, что у людей доброкачественные родимые пятна состоят преимущественно из состарившихся клеток, експерсують онкогенный BRAF. Для образования злокачественных опухолей необходимы дополнительные мутации, например в генах p53 и p16 INK4a.

Потеря функции супрессоров опухолей

Чтобы выполнять роль барьера для образования злокачественных новообразований, старение должно запускаться не только в случае надактивации онкогнеив, но и потери активности генов супрессоров опухолей. Примером такой функции является PICS (англ. PTEN loss-induced cellular senescence), который активируется в когда PTEN нормально не работает. PICS отличается от OIS недостатком гиперрепликации ДНК и DDR, и может развиваться даже если вхождение в S-фазу и репликация ДНК заблокированы афидиколином.

Как и при активации клеточного старения другими факторами в PICS центральную роль играют сигнальные пути p53 / p21 и p16 INK4a, в этом случае первый путь запускается через гиперактивацию mTOR, а второй — через ETS2.

Признаки клеточного старения

Остановка пролиферации

Основным признаком состарившихся клеток является необратимая остановка пролиферации, что происходит вследствие повышенной экспрессии белков, блокирующие прохождение через клеточный цикл. Обычно обветшавшие клетки имеют содержание ДНК, отвечающий фазе G1. Однако некоторые онкогены вызывают старение с содержанием ДНК, характерным для фазы G2, а раковые клетки могут стареть с количеством ДНК, отвечающий G2 или S фазе.

Чтобы оценить способность клеток к делению обычно используют такие методы как определение содержания маркеров пролиферации Ki67 и PCNA, мечения 5-бромодеоксиуридином (BrdU) или 3 H-тимидина или тест на способность к колониеутворення. Однако ни один из этих методов не дает возможности отличить обветшавшие клетки от пост-митотических или клеток в состоянии покоя (G0).

Резистентность к апоптозу

Апоптоз, как и клеточное старение, является противоопухолевым механизмом, однако в отличие от старения он обеспечивает быстрое уничтожение поврежденных клеток, а не только остановку пролиферации. Многие состарившихся клеток нечувствительны к действию по крайней мере некоторых из проапоптичних факторов. Например, фибробласты человека в состоянии старения не погибают путем апоптоза в ответ на действие церамида (хотя такая реакция может возникать в обветшавших эпителиальных клеток), оксидативный стресс и лишения факторов роста, но связывание Fas рецепторов смерти с их лигандами может вызвать у них апоптоз .

До конца не выяснено как клетки делают, отвечать на стресс старением или апоптозом. Во-первых, это зависит от конкретного типа клеток, например фибробласты и эпителиоциты более подвержены старению, а лимфоциты — к апоптозу. Во-вторых, — от природы и интесивности стресса.

Изображения по теме

  • Клеточное старение