CC BY
334
ОБЗОР
УДК 574.24:575.22
СТАРЕНИЕ КЛЕТОК
И ВОЗРАСТЗАВИСИМЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
Н.А. Малыгина1
Филиал ГБОУВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова «НКЦ геронтологии», Москва
Прошло более 50 лет с тех пор, как Л. Хейфликом с коллегами доказан феномен старения клеток in vitro на культуре фибробластов. В последние годы открыты молекулярные механизмы старения клеток, их связь с онкологической патологией и воспалением. Сенес-центные клетки, с одной стороны, выступают в качестве супрессо-ров развития и злокачественной трансформации опухолей у молодых людей, поскольку необратимо перестают делиться. В то же время для этих клеток характерен специфический метаболизм: они синтезируют многочисленные провоспалительные цитокины, ростовые факторы и протеазы, которые обладают сильным паракрин-ным свойством. Накапливаясь с возрастом, сенесцентные клетки разрушают структуру и нарушают функции нормальных тканей, вызывая «стерильное» воспаление и злокачественную трансформацию соседних предраковых клеток. Специфический секреторный фенотип старых клеток — один из механизмов, обусловливающий и дегенеративную патологию, и злокачественные новообразования при старении организма. В настоящее время проходят клинические испытания лекарственных препаратов, избирательно элиминирующих сенесцентные клетки в органах и тканях, тем самым предотвращая их дегенеративные изменения и рак.
Ключевые слова: лимит Хейфлика, теломеры, теломераза, сенес-ценция, супрессия опухолей, ворастзависимые заболевания Key words: limitHayflick, telomeres, telomerase, senescence, tumor suppression age-related diseases
В организме человека насчитывают примерно 300 типов клеток, все они отличаются одним фундаментальным свойством: одни клетки могут
1 Малыгина Н.А., канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории клинической генетики. Тел.: +7 (499) 187-12-54, e-mail: [email protected].
размножаться, делиться — митотически компетентные, другие — терминальные, дифференцированные, постмитотические клетки: нейроны, кардиомиоциты, зернистые лейкоциты крови не делятся.
В обновляющихся тканях есть пул постоянно делящихся клеток, которые заменяют отработанные и погибающие. Эти клетки локализуются
в криптах кишечника, в базальном слое эпителия кожи, в костном мозге — кроветворные клетки. Обновление клеток происходит довольно интенсивно: клетки соединительной ткани поджелудочной железы заменяются каждые 24 ч, клетки слизистой оболочки желудка — каждые 3 дня, лейкоциты обновляются каждые 10 дней, клетки кожи — каждые 6 недель, примерно 70 г проли-ферирующих клеток тонкой кишки удаляются каждый день [1].
Стволовые клетки, существующие практически во всех органах и тканях, способны делиться неограниченно. Регенерация тканей происходит за счет пролиферации стволовых клеток, которые могут не только делиться, но и дифференцироваться в клетки той ткани, регенерация которой происходит. Стволовые клетки есть в миокарде, головном мозге (гиппокампе, обонятельных луковицах и др. отделах). Это открывает большие надежды в плане лечения нейродеге-неративных заболеваний и инфаркта миокарда.
Постоянно обновляющиеся ткани способствуют увеличению продолжительности жизни. При делении клеток происходит омоложение ткани: новые клетки приходят на место поврежденных, при этом интенсивнее происходит репарация ДНК, возможна регенерация при повреждении тканей. Не удивительно, что у позвоночных значительно выше продолжительность жизни, чем у беспозвоночных, тех же насекомых, у которых во взрослом состоянии клетки не делятся.
Однако обновляющиеся ткани подвержены гиперпролиферации, что ведет к образованию опухолей, более того опухоли часто приобретают свойство злокачественности. Это происходит из-за нарушений регуляции деления клеток; кроме того, в процессе репликации увеличивается вероятность соматических мутаций, виновников превращения клеток в злокачественные. По современным представлениям, чтобы клетка приобрела свойство злокачественности, ей необходимо 4—6 мутаций. Мутации возникают редко, и чтобы клетка стала раковой (подсчитано у фиброблас-тов человека), должно произойти около 100 делений (обычно это число делений происходит у человека примерно к 40-летнему возрасту) [2].
В противовес гиперпролиферации в организме сформировались специальные клеточные механизмы супрессии опухолей. Одним из них является репликативное старение клеток — се-несценция — необратимая остановка деления
клетки в стадии G1 клеточного цикла. Сенесцен-тные клетки не реагируют на ростовые факторы и устойчивы к апоптозу.
Сенесцентные (старые) клетки имеют специфическую морфологию — они крупные, уплощенные, с большим ядром, сильно вакуолизированы: в них сохраняется метаболизм, но значительно меняется профиль экспрессии генов. В большинстве случаев они устойчивы к апоптозу.
Лимит Хейфлика
Феномен старения клеток впервые открыт в 1961 г. Леонардом Хейфликом с коллегами в культуре фибробластов. Оказалось, что клетки в культуре фибробластов человека в хороших условиях живут ограниченное время и способны удваиваться примерно 50 ± 10 раз. Это число стали называть лимитом Хейфлика [5,6]. До открытия Хейфлика господствовала точка зрения, что клетки бессмертны, а старение и смерть — свойство организма.
По-настоящему бессмертны раковые клетки. Так, клетки HeLa, выделенные в 1951 г. из опухоли шейки матки негритянки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks), до сих пор цитологи используют в своих экспериментах, в частности с помощью клеток HeLa разработана вакцина против полиомиелита, эти клетки побывали даже в космосе.
Как выяснилось, лимит Хейфлика зависит от возраста: чем старше пациент, тем меньшее число раз удваиваются его клетки в культуре. Эти результаты были подтверждены многими учеными. Правда, две их группы этой закономерности не обнаружили, что не удивительно — фибро-бласты очень гетерогенны в отношении потенциала деления. Кроме того, замороженные клетки при разморозке и последующем культивировании сохраняют число делений до замораживания, как будто внутри клетки существует определенный счетчик делений, и по достижении определенного предела (лимит Хейфлика) клетка перестает делиться — становится сенесцентной. Одним из важных механизмов старения клеток является укорочение теломер.
Теломеры и старение клеток
В 1971 г. наш соотечественник Алексей Матвеевич Оловников предположил, что лимит Хейфлика связан с недорепликацией концевых
участков линейных хромосом — теломер. В ходе каждого цикла деления клетки теломера укорачивается, Механизмы репликации линейных хромосом таковы, что после каждого цикла репликации теломера должна укорачиваться из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого конца.
Кроме того, А.М. Оловников предсказал наличие теломеразы (фермента, синтезирующего повторяющиеся последовательности ДНК-тело-мер) [5,6].
Теломеры имеют важное функциональное значение. Они стабилизируют структурную организацию хромосом, без теломер концы хромосом, как говорят цитогенетики, становятся «липкими», т.е. подвержены разнообразным хромосомным абберациям (транслокациям, делециям и др.), при этом нередко происходит деградация генетического материала. Теломеры имеют специфическое молекулярное строение и структурную организацию [7]. Они не кодируют белков, их молекулярное строение позволяет им укорачиваться. Критическое укорочение теломер приводит к потере связанных с ними структурных компонентов шелтерина [8,9].
Незащищенные концы хромосом воспринимаются клеткой как двухцепочечные разрывы, что активирует процессы репарации ДНК. При этом начинают формироваться хромосомные аберрации, которые часто приводят к малигни-зации [10—12]. Чтобы этого не произошло, существуют молекулярные механизмы, которые блокируют клеточное деление, и клетка переходит в состояние сенесцентности, необратимой остановке клеточного цикла. При этом клетка гарантированно не может делиться, а значит, не может сформироваться опухоль. В клетках с нарушенной способностью к сенесценции образуются хромосомные аберрации,
Длина теломер и скорость их укорочения зависят от возраста. У человека длина теломер варьирует от 15 тыс. нуклеотичных пар (н.п.) при рождении до 5 тыс. н.п. при хронических заболеваниях. Максимальная длина теломер у 18-месячных детей, затем происходит быстрая деградация их длины примерно до 5-летнего возраста. В 5-летнем возрасте длина теломер стабилизируется на уровне 12 тыс. н.п., затем снижается медленнее [13].
Теломеры укорачиваются у разных людей с разной скоростью. Так, на скорость укорочения
теломер сильно влияет стресс. Э. Блекберн (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2009 г.) установил, что у женщин, постоянно испытывающих стресс (матери хронически больных детей), значительно более короткие те-ломеры по сравнению с их сверстницами, причем длина их теломер короче примерно на 10 лет. Лабораторией Э. Блекберн разработан коммерческий тест для определения биологического возраста людей на основании длины теломер.
Любопытно, что у мышей — очень длинные теломеры (50—40 кб), у человека 10—15 кб. У некоторых линий лабораторных мышей длина те-ломер достигает 150 кб. Более того, у мышей те-ломераза всегда активна, что не дает теломерам укорачиваться. Однако это, как всем известно, не делает мышей бессмертными. Мало того, у них опухоли развиваются значительно чаще, чем у людей, что позволяет предположить, что укорочение теломер как механизм супрессии опухолей у мышей не работает. У мышей другие механизмы предотвращения опухольобразования: ДНК-репарация, проверочные точки клеточного цикла, иммуннозащита [14].
При сравнении длины теломер и теломераз-ной активности у разных млекопитающих оказалось, что виды, для которых характерно реплика-тивное старение клеток, имеют большую продолжительность жизни и большую массу тела. Это, например, киты, продолжительность жизни у которых может достигать 200 лет. Таким организмам репликативное старение необходимо, поскольку большое число делений порождает множество мутаций, которому нужно противостоять. Репликативное старение как раз и есть такой механизм, который сопровождается к тому же репрессией теломеразы [15].
Связь репликативного старения клеток со старением организма, строго говоря, не доказана, но возрастная патология сопровождается старением клеток. Злокачественные новообразования у лиц пожилого возраста в большинстве своем связаны с обновляемыми тканями. Онкологические заболевания в развитых странах — одна из основных причин заболеваемости и смертности. Независимым фактором риска раковых заболеваний является возраст. Частота смертности от опухолевых заболеваний увеличивается с возрастом по экспоненте, так же как общая смертность. Это свидетельство того, что
между старением и канцерогенезом существует фундаментальная связь.
Теломераза
В организме должен быть механизм, компенсирующий укорочение теломер, предположил А.М. Оловников. Действительно, в 1984 г. Кэрол Грейдер такой фермент открыла и назвала тело-меразой. В 2009 г. Э. Блэкберн, К. Грэйдер и Д. Шостаку за открытие этого фермента и цикл работ по изучению теломер и теломеразы была присуждена Нобелевская премия. Теломераза — это обратная транскриптаза, которая увеличивает длину теломер, компенсируя их недорепли-кацию. Теломераза — рибонуклеопротеидный комплекс, участвует в регуляции активности примерно 70 генов [7]. Теломераза активна в зародышевых и эмбриональных тканях, в стволовых и пролиферирующих клетках, ее обнаруживают в 90% раковых опухолей, что обеспечивает неудержимое размножение раковых клеток. В настоящее время среди препаратов для лечения рака есть ингибитор теломеразы, но в большинстве соматических клеток взрослого организма тело-мераза неактивна [16,17].
Известно, что многие стимулы могут привести клетку в состояние сенесценции, среди них — дисфункция теломер, некоторые повреждения ДНК, причиной которых может быть сильное мутагенное воздействие окружающей среды, спонтанные генетические нарушения, эндогенные процессы, сильные митогенные сигналы (сверхэкспрессия онкогенов Ras, Raf, Mek, Mos, E2F-1 и др.), нарушения хроматина, стресс и др. Выход клетки в состояние сенесцентности контролируется генами супрессорами опухолей: среди них гены p53 и pRB. Фактически, клетки перестают делиться — становятся сенесцентными в ответ на события, потенциально вызывающие рак.
Дисфункция теломер, которая происходит либо при нарушении их белка — шелтерина, либо при прогрессирующей утрате теломерных повторов, активирует белок p53 — транскрипционный фактор, который приводит клетку либо к сенес-ценции, либо к апоптозу. Карциномы человека эпителиального происхождения (карциномы молочной железы, легких, толстой кишки) развиваются из компартментов обновляющихся тканей. Мутации гена p53 обнаруживают в 50% аденокарцином молочной железы и в 40—60%
случаев колоректальной аденокарциномы, поэтому р53 называют «стражем генома».
Теломераза реактивируется в большинстве карцином человека, которые характерны для пожилых людей. Считается, что это важный этап для инициации процесса малигнизации. Дисфункция теломер при дефиците р53 играет ключевую роль в генетической нестабильности при карциномах человека. Злокачественные новообразования часто сопровождаются хромосомными аберрациями [19].
О молекулярных механизмах старения клеток
Сложная регуляция клеточного цикла направлена на то, чтобы обеспечить синтез ДНК с возможно меньшим числом ошибок, чтобы дочерние клетки имели идентичный наследственный материал для нормального функционирования ткани. В процессе клеточного цикла происходит сверка наследственного материала. Если обнаруживаются ошибки, клеточный цикл останавливается и включается процесс репарации ДНК. Если нарушения структуры ДНК удается исправить, клеточный цикл продолжается. В противном случае включаются молекулярные механизмы: либо сенесценция, либо апоптоз [20].
Супрессию клеточного цикла в фазе С1 осуществляет белок р53, через ингибитор циклинза-висимой киназы р21, останавливая клеточный цикл. Белок р53 активируется при повреждениях ДНК. Функция белка р53 состоит в удалении из пула делящихся клеток, потенциально онко-генных. Данное представление подтверждается тем фактом, что мутации р53 обнаруживают в 50% случаев злокачественных опухолей. Другое проявление активности р53 связано с апоптозом наиболее поврежденных клеток.
Другой механизм перехода клетки в состояние сенесценции — за счет рИЬ-зависимой реорганизации хроматина. При образовании гетеро-хроматина происходит репрессия генов, кодирующих циклины и другие позитивные регуляторы клеточного цикла.
Сенесценция клеток и возрастзависимые заболевания
Сенесцентные клетки накапливаются с возрастом и способствуют возрастным заболеваниям. Они истощают пул клеток, что приводит к де-
генеративным нарушениям, снижает способность ткани к регенерации и обновлению.
Сенесцентные клетки секретируют провоспа-лительные цитокины и металлопротеиназы, разрушающие межклеточный матрикс. Все это вызывает вялотекущее старческое воспаление, а накопление старых фибробластов в коже служит причиной возрастного снижения способности к заживлению ран. Старые клетки также стимулируют пролиферацию и малигнизацию близлежащих предраковых клеток вследствие секреции эпителиального фактора роста [18].
При облучении раковых опухолей некоторые клетки также переходят в состояние сенес-ценции, тем самым обеспечивая рецидив заболевания.
Сенесцентные клетки накапливаются во многих тканях человека, присутствуют в атероскле-ротических бляшках, в язвах кожи, пораженных артритом суставах, а также при доброкачественном и гиперпролиферативном поражении простаты и печени.
Таким образом, клеточное старение — это эффект отрицательной плейотропии, который часто наблюдается при старении. Самый яркий пример отрицательной плейотропии — воспаление. Выраженная реакция воспаления способствует быстрому выздоровлению молодого организма при инфекционных заболеваниях. В пожилом же возрасте активные воспалительные процессы приводят к возрастным заболеваниям. В настоящее время общепризнанно, что воспаление играет определяющую роль практически при всех возрастзависимых заболеваниях, начиная с ней-родегенеративных. В случае сенесценции — старение клеток в молодом организме предохраняет его от рака, а в старом накопление сенесцентных клеток в тканях способствует формированию возрастной патологии.
В настоящее время в США в клинике Мейо исследуется эффект удаления старых клеток из организма. При этом на экспериментальных животных получены обнадеживающие результаты: увеличение продолжительности жизни и замедление клинических проявлений возрастзависи-мой патологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Macieira-Coelho A. Cell division and aging of the organism // Biogerontology. 2011, 12. P. 503-515.
2. Егоров Е.Е. Роль теломер и теломеразы в процессах клеточного старения и канцерогенеза // Дис. ... д-ра биол. наук. М., 2003. 300 с.
3. Hayflick L., Moorhead P.S. The serial cultivation of human diploid cell strain // Exp. Cell Res. 1961. Vol. 25. P. 585-621.
4. Shay J.W. and Wright W.E. Hayflick, his limit, and cellular ageing // Nature Rev Mol Cell Biol. 2006. № 1. P. 72-76.
5. Оловников А.М. Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов // Докл. акад. наук СССР. 1971. Т. 201. № 6. С. 1496-9.
6. Olovnikov A.M. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynu-cleotides and biological significance of the phenomenon // J. Theor. Biol. 1973. Vol. 41. № 1. P. 181-90.
7. Greider C.W., Blackburn E.H. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts // Cell. 1985. Vol. 43 (2 Pt 1): 405-13.
8. Blackburn E.H., Gall J.G. A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA genes in Tetrahymena // J. Mol. Biol. 1978. Vol. 120. № 1. P. 33-53.
9. Greider C.W. Mammalian telomere dynamics: healing, fragmentation shortening and stabilization // Curr. Opin. Genet. Dev. (1994). Vol. 4 (2). P. 203-211.
10. Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Изд-во СО АН РАН, 2009. 256 с.
11. Shay JW and Wright WE (2004). Senescence and immortalization: role of telomeres and telomerase // Carcinogenesis. Vol. 26. P. 867-874.
12. de Lange T. Shelterin: the protein complex that shapes and safeguards human telomeres // Genes Dev. 2005. Vol. 19. P. 2100-2010.
13. Frenck R.W., Jr., Blackburn E.H., Shannon K.M. (1998) The rate of telomere sequence loss in human leukocytes varies with age // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95. P. 5607-5610.
14. Анисимов В.Н. Молекулярные и физиологические механизмы старения. Изд-во Наука, Санкт-Петербург, 2008. Т. 1. С. 465, Т. 2. С. 473.
15. Gomes N.M.V., Shay J.W. and Wright W.E. Telomeres and Telomerase // The Comparative Biology of Aging, ed. Wolf N. S., Springer 2010, P. 227-259.
16. Shay J.W. and Wright W.E. (2001). Forward: aging and cancer: are telomeres and telomerase the connection? In Telomerase, Aging and Disease. (MP Mattson, ed.). Baltimore, MD:Elsevier, P. 231.
17. Deng Y., Chang S. Role of telomeres and telomerase in ge-nomic instability, senescence and cancer // Laboratory Investigation. 2007. Vol. 87. P. 1071-1076.
18. Campisi J. Senescent cells, tumor suppression, and organismal aging: good citizens, bad Neighbors. Review // Cell. 2005. Vol. 120. P. 513-522.
19. Suzuki M., Boothman D.A. Stress-induced premature se-nescence(influence of SIPS on radiotherapy).
20. Фаллер В.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. Изд-во Бином-Пресс. 2006. 235 с.
Поступила 19.02.2013
