stringtranslate.com

предел Хейфлика

Анимация структуры участка ДНК . Основания лежат горизонтально между двумя спиральными цепями. Азот : синий, кислород : красный, углерод : зеленый, водород : белый, фосфор : оранжевый.

Предел Хейфлика , или феномен Хейфлика , — это количество раз, которое нормальная соматическая дифференцированная популяция человеческих клеток будет делиться, прежде чем деление клеток прекратится. [1] [2]

Концепция предела Хейфлика была выдвинута американским анатомом Леонардом Хейфликом в 1961 году [3] в Институте Вистара в Филадельфии , штат Пенсильвания. Хейфлик продемонстрировал, что нормальная популяция эмбриональных клеток человека будет делиться от 40 до 60 раз в клеточной культуре , прежде чем войдет в фазу старения . Это открытие опровергло утверждение Алексиса Карреля о том, что нормальные клетки бессмертны .

Хейфлик интерпретировал свое открытие как старение на клеточном уровне. Старение клеточных популяций, по-видимому, коррелирует с общим физическим старением организма. [3] [4]

Макфарлейн Бернет ввел термин «предел Хейфлика» в своей книге «Внутренний мутагенез: генетический подход к старению », опубликованной в 1974 году. [5]

История

Вера в бессмертие клеток

До открытия Леонарда Хейфлика считалось, что клетки позвоночных имеют неограниченный потенциал для репликации. Алексис Каррель , хирург, лауреат Нобелевской премии , заявил, что «все клетки, эксплантированные в культуру тканей, бессмертны, и что отсутствие непрерывной репликации клеток было вызвано незнанием того, как лучше всего культивировать клетки». [5] Он утверждал, что выращивал фибробласты из сердец цыплят (которые обычно живут от 5 до 10 лет) и поддерживал рост культуры в течение 34 лет. [6]

Однако другие ученые не смогли повторить результаты Карреля, [5] и предполагается, что они были вызваны ошибкой в ​​экспериментальной процедуре. Для обеспечения необходимых питательных веществ эмбриональные стволовые клетки кур могли быть повторно добавлены в культуру ежедневно. Это легко позволило бы выращивать новые, свежие клетки в культуре, поэтому не было бесконечного воспроизводства исходных клеток. [3] Было высказано предположение, что Каррел знал об этой ошибке, но он никогда не признавал ее. [7] [8]

Кроме того, было высказано предположение [ кем? ] , что клетки, которые использовал Каррель, были достаточно молоды, чтобы содержать плюрипотентные стволовые клетки , которые, если их снабжать поддерживающим питательным веществом для активации теломеразы , могли бы предотвратить репликативное старение или даже, возможно, обратить его вспять. Культуры, не содержащие плюрипотентных стволовых клеток с активацией теломеразы, были бы заселены клетками, неактивными по теломеразе, которые были бы подвержены пределу событий митоза 50 ± 10 до тех пор, пока не произойдет клеточное старение, как описано в выводах Хейфлика. [4]

Эксперимент и открытие

Хейфлик впервые заподозрил подозрения относительно заявлений Каррела, работая в лаборатории Института Вистара. Хейфлик заметил, что одна из его культур эмбриональных человеческих фибробластов приобрела необычный вид, а деление клеток замедлилось. Сначала он отмахнулся от этого как от аномалии, вызванной загрязнением или технической ошибкой. Однако позже он наблюдал, как другие клеточные культуры проявляли схожие проявления. Хейфлик проверил свой исследовательский журнал и с удивлением обнаружил, что все атипичные клеточные культуры были культивированы примерно до 40-го удвоения, в то время как более молодые культуры никогда не проявляли тех же проблем. Более того, условия были схожи между более молодыми и более старыми культурами, которые он наблюдал — та же самая культуральная среда, контейнеры для культур и техник. Это заставило его усомниться в том, что проявления были вызваны загрязнением или технической ошибкой. [9]

Затем Хейфлик решил доказать, что прекращение нормальной репликативной способности клеток, которое он наблюдал, не было результатом вирусного заражения, плохих условий культивирования или какого-то неизвестного артефакта. Хейфлик объединился с Полом Мурхедом для окончательного эксперимента, чтобы исключить эти факторы как причинные. Будучи опытным цитогенетиком , Мурхед смог отличить мужские и женские клетки в культуре. Эксперимент проходил следующим образом: Хейфлик смешивал равное количество нормальных человеческих мужских фибробластов, которые делились много раз (клетки на 40-м удвоении популяции), с женскими фибробластами, которые делились меньшее количество раз (клетки на 15-м удвоении популяции). Несмешанные популяции клеток оставались в качестве контроля. После 20 удвоений смешанной культуры оставались только женские клетки. Деление клеток прекращалось в несмешанных контрольных культурах в ожидаемое время; когда мужская контрольная культура прекращала делиться, в смешанной культуре оставались только женские клетки. Это предполагает, что технические ошибки или заражающие вирусы вряд ли могут объяснить прекращение деления клеток в старых клетках, и доказывает, что если вирус или артефакт не может различать мужские и женские клетки (чего он не может), то прекращение нормальной репликации клеток регулируется внутренним механизмом подсчета. [3] [5] [9]

Эти результаты опровергли заявления Карреля о бессмертии и установили предел Хейфлика как достоверную биологическую теорию. В отличие от эксперимента Карреля, эксперимент Хейфлика был успешно повторен другими учеными.

Фазы клетки

Хейфлик описывает три фазы в жизни нормальных культивируемых клеток. В начале своего эксперимента он назвал первичную культуру «фазой один». Фаза два определяется как период, когда клетки размножаются; Хейфлик назвал это временем «пышного роста». После месяцев удвоения клетки в конечном итоге достигают фазы три, явления, которое он назвал « старением », когда скорость репликации клеток замедляется, прежде чем полностью остановиться. [ необходима цитата ]

Длина теломеры

Типичная нормальная человеческая фетальная клетка делится от 50 до 70 раз, прежде чем подвергнется старению. По мере деления клетки теломеры на концах хромосом укорачиваются. Предел Хейфлика — это предел репликации клеток, налагаемый укорочением теломер при каждом делении. Эта конечная стадия известна как клеточное старение .

Было обнаружено, что предел Хейфлика коррелирует с длиной теломерной области на конце хромосом. В процессе репликации ДНК хромосомы небольшие сегменты ДНК в каждой теломере не могут быть скопированы и теряются. [10] Это происходит из-за неравномерной природы репликации ДНК, где ведущие и отстающие нити не реплицируются симметрично. [11] Теломерная область ДНК не кодирует какой-либо белок; это просто повторяющийся код на концевой области линейных эукариотических хромосом. После многих делений теломеры достигают критической длины, и клетка становится стареющей. Именно в этот момент клетка достигает своего предела Хейфлика. [12] [13]

Хейфлик был первым, кто сообщил, что бессмертны только раковые клетки. Этого нельзя было продемонстрировать, пока он не продемонстрировал, что нормальные клетки смертны. [3] [4] Клеточное старение не происходит в большинстве раковых клеток из-за экспрессии фермента, называемого теломеразой . Этот фермент удлиняет теломеры, предотвращая укорачивание теломеров раковых клеток и давая им бесконечный репликативный потенциал. [14] Предлагаемым методом лечения рака является использование ингибиторов теломеразы , которые предотвращают восстановление теломеры, позволяя клетке умирать, как и другие клетки организма. [15]

Старение организма

Хейфлик предположил, что его результаты, в которых нормальные клетки имеют ограниченную репликативную способность, могут иметь значение для понимания старения человека на клеточном уровне. [4]

Было сообщено, что ограниченная репликативная способность человеческих фибробластов , наблюдаемая в клеточной культуре, намного больше, чем число событий репликации, испытываемых нестволовыми клетками in vivo в течение нормальной постнатальной продолжительности жизни. [16] Кроме того, было высказано предположение, что не существует обратной корреляции между репликативной способностью нормальных штаммов человеческих клеток и возрастом донора-человека, от которого были получены клетки, как утверждалось ранее. Теперь ясно, что по крайней мере некоторые из этих переменных результатов можно объяснить мозаицизмом числа репликаций клеток в разных участках тела, где были взяты клетки. [16]

Сравнение различных видов показывает, что клеточная репликативная способность может коррелировать в первую очередь с массой тела вида, но более вероятно с продолжительностью жизни вида. [ необходимо разъяснение ] Таким образом, ограниченная способность клеток к репликации в культуре может иметь прямое отношение к общему физическому старению организма. [3] [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Родригес-Бренес, Игнасио А.; Водарц, Доминик; Комарова, Наталья Л. (9 декабря 2015 г.). «Количественная оценка репликативного старения как пути подавления опухолей и цели для терапии рака». Scientific Reports . 5 : 17660. Bibcode :2015NatSR...517660R. doi : 10.1038/srep17660 . PMC  4673423 . PMID  26647820.
  2. ^ Петерсен, Томас; Никласон, Лора (сентябрь 2007 г.). «Продолжительность жизни клеток и регенеративная медицина». Биоматериалы . 28 (26): 3751–3756. doi :10.1016/j.biomaterials.2007.05.012. PMC 2706083. PMID 17574669  . 
  3. ^ abcdef Хейфлик Л., Мурхед ПС. (1961). «Серийное культивирование штаммов диплоидных клеток человека». Exp Cell Res . 25 (3): 585–621. doi :10.1016/0014-4827(61)90192-6. PMID  13905658.
  4. ^ abcde Hayflick L. (1965). «Ограниченная продолжительность жизни in vitro штаммов диплоидных клеток человека». Exp. Cell Res . 37 (3): 614–636. doi :10.1016/0014-4827(65)90211-9. PMID  14315085.
  5. ^ abcd Шей, Дж. У.; Райт, У. Э. (октябрь 2000 г.). «Хэйфлик, его предел и клеточное старение». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 1 (1): 72–6. doi :10.1038/35036093. PMID  11413492. S2CID  6821048.
  6. ^ Carrel A, Ebeling AH (1921). «Возраст и размножение фибробластов». J. Exp. Med . 34 (6): 599–606. doi :10.1084/jem.34.6.599. PMC 2128071. PMID  19868581 . 
  7. ^ Witkowski JA (1985). «Миф о бессмертии клеток». Trends Biochem. Sci . 10 (7): 258–260. doi :10.1016/0968-0004(85)90076-3.
  8. ^ Witkowski JA (1980). «Бессмертные клетки доктора Карреля». Med. Hist . 24 (2): 129–142. doi :10.1017/S0025727300040126. PMC 1082700 . PMID  6990125. 
  9. ^ ab Hayflick, L (19 мая 2016 г.). «В отличие от старения, долголетие определяется половым признаком». В Bengtson, VL; Settersten, RA (ред.). Handbook of Theories of Aging (третье изд.). Springer Publishing Company. стр. 31–52. ISBN 9780826129420.
  10. ^ Уотсон Дж. Д. (1972). «Происхождение конкатемерной ДНК Т7». Nature New Biology . 239 (94): 197–201. doi :10.1038/newbio239197a0. PMID  4507727.
  11. ^ Руссо, Филипп; Аутексье, Шанталь (октябрь 2015 г.). «Биология теломер: обоснование диагностики и терапии рака». RNA Biology . 12 (10): 1078–1082. doi :10.1080/15476286.2015.1081329. PMC 4829327. PMID  26291128 . 
  12. ^ Оловников AM (1996). «Теломеры, теломераза и старение: происхождение теории». Exp. Gerontol . 31 (4): 443–448. doi :10.1016/0531-5565(96)00005-8. PMID  9415101. S2CID  26381790.
  13. ^ Оловников, А.М. (1971). «Принципы маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов». Доклады Академии наук СССР . 201 (6): 1496–1499. ПМИД  5158754.
  14. ^ Фэн Ф; и др. (1995). «РНК-компонента человеческой теломеразы». Science . 269 (5228): 1236–1241. Bibcode :1995Sci...269.1236F. doi :10.1126/science.7544491. PMID  7544491. S2CID  9440710.
  15. ^ Райт У. Э., Шей Дж. У. (2000). «Динамика теломер в прогрессировании и профилактике рака: фундаментальные различия в биологии теломер у человека и мыши». Nature Medicine . 6 (8): 849–851. doi :10.1038/78592. PMID  10932210. S2CID  20339035.
  16. ^ ab Cristofalo VJ, Allen RG, Pignolo RJ, Martin BG, Beck JC (1998). "Взаимосвязь между возрастом донора и репликативной продолжительностью жизни человеческих клеток в культуре: переоценка". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 95 (18): 10614–9. Bibcode :1998PNAS...9510614C. doi : 10.1073/pnas.95.18.10614 . PMC 27943 . PMID  9724752. 


Дальнейшее чтение