Клеточное старение — это явление, характеризующееся прекращением деления клеток . [1] [2] [3] В своих экспериментах в начале 1960-х годов Леонард Хейфлик и Пол Мурхед обнаружили, что нормальные человеческие фетальные фибробласты в культуре достигают максимума приблизительно в 50 удвоений популяции клеток, прежде чем становятся стареющими. [4] [5] [6] Этот процесс известен как «репликативное старение» или предел Хейфлика . Открытие Хейфликом смертных клеток проложило путь к открытию и пониманию молекулярных путей старения клеток. [7] Клеточное старение может быть инициировано широким спектром факторов, вызывающих стресс. К этим факторам стресса относятся как экологические, так и внутренние повреждающие события, аномальный клеточный рост, окислительный стресс , факторы аутофагии и многое другое. [8]
Физиологическое значение старения клеток связывают с предотвращением канцерогенеза , а в последнее время — со старением, развитием и восстановлением тканей. [9] Стареющие клетки способствуют фенотипу старения , включая синдром дряхлости , саркопению и заболевания, связанные со старением . [10] Стареющие астроциты и микроглия способствуют нейродегенерации . [11] [12]
Механистически репликативное старение может быть вызвано реакцией на повреждение ДНК из-за укорочения теломер . Клетки также могут быть вызваны к старению повреждением ДНК в ответ на повышенные активные формы кислорода (ROS), активацию онкогенов и слияние клеток . Обычно старение клеток достигается за счет комбинации различных факторов (то есть как укорочение теломер, так и окислительный стресс). [13] Реакция на повреждение ДНК (DDR) останавливает прогрессирование клеточного цикла до тех пор, пока повреждение ДНК, такое как двухцепочечные разрывы (DSB), не будет восстановлено. Стареющие клетки демонстрируют стойкий DDR, который, по-видимому, устойчив к эндогенной репарации ДНК . Пролонгированная DDR активирует как ATM, так и ATR киназы повреждения ДНК. Каскад фосфорилирования, инициированный этими двумя киназами, вызывает в конечном итоге остановку клеточного цикла. В зависимости от тяжести повреждения ДНК клетки могут больше не иметь возможности подвергаться восстановлению и либо пройти апоптоз , либо клеточное старение. [8] Такие стареющие клетки в культуре млекопитающих и тканях сохраняют маркеры DSB и DDR. [14] Было высказано предположение, что сохраненные DSB являются основными драйверами процесса старения . Мутации в генах, связанных с поддержанием генома, были связаны с преждевременными старческими заболеваниями , что подтверждает роль старения клеток в старении [15] (см. теорию повреждения ДНК при старении ).
Истощение НАД+ может привести к повреждению ДНК и клеточному старению в клетках гладких мышц сосудов . [16]
Хотя стареющие клетки больше не могут реплицироваться, они остаются метаболически активными и обычно принимают иммуногенный фенотип , состоящий из провоспалительного секретома , повышения регуляции иммунных лигандов, ответа, способствующего выживанию, беспорядочной экспрессии генов (pGE) и положительного окрашивания на активность β-галактозидазы, ассоциированную со старением . [17] Два белка, ассоциированная со старением бета-галактозидаза и p16 Ink4A , считаются биомаркерами клеточного старения . Однако это приводит к ложноположительному результату для клеток, которые естественным образом имеют эти два белка, таких как созревающие тканевые макрофаги с ассоциированной со старением бета-галактозидазой и Т-клетки с p16 Ink4A . [13]
Стареющие клетки могут претерпевать конверсию в иммуногенный фенотип, который позволяет им быть устраненными иммунной системой. [18] Этот фенотип состоит из провоспалительного секретома , повышения регуляции иммунных лигандов , реакции, способствующей выживанию, беспорядочной экспрессии генов (pGE) и окрашивания, положительного на активность β-галактозидазы, ассоциированную со старением . [17] Ядро стареющих клеток характеризуется очагами гетерохроматина , ассоциированными со старением (SAHF), и сегментами ДНК с изменениями хроматина, усиливающими старение (DNA-SCARS). [19] Стареющие клетки влияют на подавление опухолей, заживление ран и, возможно, эмбриональное/плацентарное развитие, а также играют патологическую роль в возрастных заболеваниях. [20]
Теломеры — это тандемные повторы ДНК на конце хромосом, которые укорачиваются во время каждого цикла деления клетки. [21] В последнее время роль теломер в клеточном старении вызвала всеобщий интерес, особенно в связи с возможными генетически неблагоприятными эффектами клонирования . Также считается, что последовательное укорачивание хромосомных теломер с каждым клеточным циклом ограничивает количество делений клетки, способствуя старению. После достаточного укорочения белки, ответственные за поддержание структуры теломер, такие как TRF2, смещаются, в результате чего теломера распознается как место двухцепочечного разрыва. [22] Это вызывает репликативное старение. [23] Теоретически, при открытии точного механизма биологического бессмертия возможно генетически сконструировать клетки с такими же возможностями. Длина цепи теломер оказывает стареющее действие; Укорочение теломер активирует обширные изменения в альтернативном сплайсинге РНК, которые производят стареющие токсины, такие как прогерин , который разрушает ткань и делает ее более склонной к разрушению. [24]
BRAF V600E и Ras — два онкогена, участвующие в клеточном старении. BRAF V600E индуцирует старение посредством синтеза и секреции IGFBP7 . [25] Ras активирует каскад MAPK , что приводит к повышению активации p53 и повышению регуляции p16 INK4a . [26] Переход к состоянию старения из-за мутаций онкогенов необратим и был назван старением, вызванным онкогенами (OIS). [27]
Интересно, что даже после онкогенной активации ткани несколько исследователей выявили стареющий фенотип. Исследователи [ когда? ] выявили стареющий фенотип в доброкачественных поражениях кожи, несущих онкогенные мутации у пациентов с нейрофибромой с дефектом, который конкретно вызывает увеличение Ras. Это открытие было высоко воспроизводимым в доброкачественных поражениях простаты, в меланоцитарных поражениях у облученных УФ-излучением HGF/SF-трансгенных мышей, [28] в лимфоцитах и в молочной железе у трансгенных мышей N-Ras, [29] и в гиперплазии гипофиза у мышей с дерегулированной активностью E2F. [30] Ключ к этим открытиям заключается в том, что генетические манипуляции, которые отменили реакцию старения, привели к полномасштабной злокачественности в этих карциномах. Таким образом, данные свидетельствуют о том, что стареющие клетки могут быть связаны с предраковыми стадиями опухоли. Кроме того, было высказано предположение, что фенотип старения может служить перспективным маркером для определения стадии. Существует два типа старения in vitro . Необратимое старение, которое опосредовано путями INK4a/Rb и p53, и обратимый фенотип старения, который опосредован p53. Это предполагает, что путь p53 может быть эффективно использован в качестве терапевтического вмешательства для запуска старения и в конечном итоге смягчения онкогенеза. [4]
Было показано, что p53 имеет многообещающую терапевтическую значимость в онкологическом контексте. В статье Nature 2007 года Сюэ и др. РНК-интерференция использовалась для регулирования эндогенного p53 в модели карциномы печени. Сюэ и др. использовали химерную модель мышиного рака печени и трансдуцировали эту модель онкогеном ras. Они взяли эмбриональные клетки-предшественники, трансдуцировали эти клетки онкогенным ras вместе с белком тетрациклинового трансактиватора (tta) для контроля экспрессии p53 с использованием доксициклина, аналога тетрациклина и тетрациклин-чувствительной короткой шпилечной РНК (shRNA). В отсутствие Dox p53 активно подавлялся по мере увеличения уровней микроРНК, поэтому при введении Dox микроРНК p53 отключалась для облегчения экспрессии p53. Рак печени, экспрессирующий Ras, показал признаки старения после реактивации p53, включая увеличение белка B-галактозидазы, ассоциированного со старением. Даже если экспрессия p53 временно активировалась или дезактивировалась, наблюдалось старение через SA B-gal. Сюэ и др. показывают, что при кратковременной реактивации p53 в опухолях без функциональной активности p53 наблюдается регрессия опухоли. Индукция клеточного старения была связана с увеличением воспалительных цитокинов, как и ожидалось на основе SASP. Наличие как старения, так и увеличения иммунной активности способно регрессировать и ограничивать рост карциномы печени в этой мышиной модели. [31]
Существует несколько зарегистрированных сигнальных путей, которые приводят к клеточному старению, включая пути p53 и p16 Ink4a . [27] Оба эти пути активируются в ответ на клеточные стрессоры и приводят к ингибированию клеточного цикла. p53 активирует p21, который дезактивирует циклинзависимую киназу 2 (Cdk 2). Без Cdk 2 белок ретинобластомы (pRB) остается в своей активной, гипофосфорилированной форме и связывается с фактором транскрипции E2F1 , важным регулятором клеточного цикла . [32] Это подавляет транскрипционные мишени E2F1, что приводит к остановке клеточного цикла после фазы G1 .
p16 Ink4a также активирует pRB, но посредством инактивации циклин-зависимой киназы 4 (Cdk 4) и циклин-зависимой киназы 6 (Cdk 6). p16 Ink4a отвечает за индукцию преждевременного, вызванного стрессом старения. [32] Это не является необратимым; подавление p16 Ink4a посредством метилирования промотора или делеции локуса p16 Ink4a позволяет клетке возобновить клеточный цикл, если старение было инициировано активацией p16 Ink4a .
Экспрессия гена секреторного фенотипа, ассоциированного со старением (SASP), индуцируется рядом факторов транскрипции , включая C/EBPβ , из которых наиболее важным является NF-κB . [33] Аберрантные онкогены , повреждение ДНК и окислительный стресс индуцируют митоген-активируемые протеинкиназы , которые являются вышестоящими регуляторами NF-κB. [34]
Ингибирование механистической мишени рапамицина ( mTOR ) подавляет клеточное старение, поэтому клеточное старение ингибируется рапамицином . [35]
Стареющие клетки крайне неоднородны, что заставило большинство специалистов в этой области полагать, что универсальный маркер стареющих клеток не будет найден, и что для обнаружения стареющих клеток требуется многомаркерный подход. [36] По этой причине была создана Сеть программ по клеточному старению для идентификации и характеристики стареющих клеток в различных тканях организма. [36] [37]
Стареющие клетки особенно распространены в коже и жировой ткани . [10] Стареющие клетки обычно крупнее нестареющих клеток. [38] Трансформация делящейся клетки в неделящуюся стареющую клетку — медленный процесс, который может занять до шести недель. [38]
Стареющие клетки влияют на подавление опухолей, заживление ран и, возможно, эмбриональное/плацентарное развитие, а также играют патологическую роль в возрастных заболеваниях. [20] Известно, что существует два основных пути подавления опухолей, которые опосредуют старение: p14arf / p53 и INK4A/RB . [4] Более конкретно, супрессор опухолей p16INK4a-pRb и p53 являются известными эффекторами старения. Большинство раковых клеток имеют мутировавшие p53 и p16INK4a-pRb, что позволяет раковым клеткам избежать стареющей судьбы. [39] Белок p16 является ингибитором циклинзависимой киназы (CDK) и активирует супрессор опухолей Rb. [40] p16 связывается с CDK 4/6, чтобы ингибировать активность киназы и ингибировать супрессор опухолей Rb посредством фосфорилирования. [41] Было показано, что супрессор опухолей Rb ассоциируется с E2F1 (белком, необходимым для транскрипции) в его монофосфорилированной форме, которая ингибирует транскрипцию целевых генов, участвующих в переходе G1/S. [42] Как часть петли обратной связи, повышенное фосфорилирование Rb увеличивает экспрессию p16, которая ингибирует Cdk4/6. Снижение активности киназы Cdk4/6 приводит к более высоким уровням гипофосфорилированной (монофосфорилированной) формы Rb, что впоследствии приводит к снижению уровня экспрессии p16. [41]
Удаление агрегированных p16 INK 4A положительных стареющих клеток может отсрочить дисфункцию тканей и в конечном итоге продлить жизнь. В статье в Nature 2011 года Бейкера и соавторов был использован новый трансген INK-ATTAC для индуцируемого устранения p16 INK4A-положительных стареющих клеток путем активации каспазы 8 , вызванной малой молекулой, что приводит к апоптозу. Модель мышей BubR1 H/H, известная тем, что испытывает клинико-патологические характеристики старения — бесплодие, аномальное искривление позвоночника, саркопению, катаракту, потерю жира, истончение дермы, аритмии и т. д., использовалась для проверки последствий удаления p16INK4a. У этих мышей p16 INK4a агрегируется в стареющих тканях, включая скелетные и глазные мышцы, а также жировую ткань. Бейкер и соавторы обнаружили, что если удалить стареющие клетки, можно отсрочить возрастные расстройства. Ген p16 играет важную роль не только в старении, но и в аутоиммунных заболеваниях, таких как ревматоидный артрит, которые на поздних стадиях заболевания постепенно приводят к нарушению подвижности. [40]
В нервной системе старение было описано в астроцитах и микроглии, но менее изучено в нейронах. [43] Поскольку старение останавливает деление клеток, исследования старения в мозге были сосредоточены в основном на глиальных клетках и меньше исследований было сосредоточено на неделящихся нейронах. [44] Анализ данных РНК-Seq одного ядра человеческого мозга предположил, что p19 является маркером стареющих нейронов, которые тесно связаны с нейронами, содержащими нейрофибриллярные клубки. [45]
Секретом стареющих клеток очень сложен. Продукты в основном связаны с воспалением , пролиферацией и изменениями во внеклеточном матриксе . [46] [39] Другой характерной особенностью стареющих клеток является ассоциированный со старением секреторный фенотип (SASP), состоящий из воспалительных цитокинов , факторов роста и протеаз . [47] Существует множество эффекторных механизмов SASP, которые используют аутокринную или паракринную сигнализацию. SASP вызывает развернутый белковый ответ в эндоплазматическом ретикулуме из- за накопления развернутых белков, что приводит к протеотоксическому нарушению функции клетки. [48] Аутофагия активируется для содействия выживанию, [48] [49] в то время как одновременно индуцируется инфламмэйджинг . [50] [51]
Рассматривая цитокины, молекулы SASP IL-6 и IL-8 , вероятно, вызывают старение, не влияя на здоровые соседние клетки. IL-1beta , в отличие от IL-6 или IL-8, способен вызывать старение в нормальных клетках с помощью паракринной сигнализации. IL-1beta также зависит от расщепления IL-1 каспазой-1 , вызывая провоспалительную реакцию. [52] Факторы роста, GM-CSF и VEGF также служат молекулами SASP. [53] С клеточной точки зрения, сотрудничество транскрипционных факторов NF-κB и C/EBP β увеличивает уровень экспрессии SASP. [39] [54] Регулирование SASP управляется посредством аутокринной обратной связи на уровне транскрипции , но, что наиболее важно, посредством непрерывного DDR . [55] [56] Белки p53 , p21 , p16ink4a , [57] и Bmi-1 были названы основными сигнальными факторами старения, что позволяет им служить маркерами. [58] Другие маркеры регистрируют изменения морфологии, реорганизацию хроматина , устойчивость к апоптозу , измененный метаболизм, увеличенную цитоплазму или аномальную форму ядра . [ 59] SASP оказывают различные эффекты в зависимости от клеточного контекста, включая воспалительные или противовоспалительные и опухолевые или противоопухолевые эффекты. Хотя они считаются протуморогенными, они, вероятно, поддерживают уже опухолепримированные клетки вместо того, чтобы переводить здоровые клетки в трансформацию. [59] Аналогичным образом, они действуют как противоопухолевые протекторы [60], способствуя устранению поврежденных клеток фагоцитами . SASP связан со многими возрастными заболеваниями, включая диабет 2 типа [61] и атеросклероз. [13] Это побудило исследователей разработать сенолитические препараты для уничтожения и устранения стареющих клеток с целью улучшения здоровья пожилых людей. [13] Ядро стареющих клеток характеризуется очагами гетерохроматина, связанными со старением (SAHF), и сегментами ДНК с изменениями хроматина, усиливающими старение (DNA-SCARS). [59]
Из-за гетерогенной природы стареющих клеток разные клетки иммунной системы устраняют разные стареющие клетки. [62] [63] Конкретные компоненты факторов секреторного фенотипа, ассоциированного со старением (SASP), секретируемые стареющими клетками, привлекают и активируют разные компоненты как врожденной , так и адаптивной иммунной системы . [62]
Естественные клетки-киллеры (NK-клетки) и макрофаги играют важную роль в очищении от стареющих клеток. [64] Естественные клетки-киллеры напрямую убивают стареющие клетки и вырабатывают цитокины , которые активируют макрофаги, удаляющие стареющие клетки. [ 64] Стареющие клетки могут фагоцитироваться нейтрофилами , а также макрофагами. [65] Сенолитические препараты , вызывающие апоптоз в стареющих клетках, полагаются на фагоцитарные клетки иммунной системы для удаления апоптозированных клеток. [63]
Естественные клетки-киллеры могут использовать рецепторы активации киллеров NKG2D для обнаружения лигандов MICA и ULBP2 , которые активируются на стареющих клетках. [16] [66] Стареющие клетки убиваются с помощью цитолитического белка перфорина , формирующего поры . [65] Цитотоксические Т-лимфоциты CD8+ также используют рецепторы NKG2D для обнаружения стареющих клеток и способствуют уничтожению, подобному NK-клеткам. [65]
Старение иммунной системы ( иммуносенесценция ) приводит к снижению способности иммунной системы удалять стареющие клетки, что приводит к увеличению количества стареющих клеток. [64] Хроническое воспаление, вызванное SASP из стареющих клеток, также может снижать способность иммунной системы удалять стареющие клетки. [65] Сообщалось, что Т-клетки , В-клетки и NK-клетки сами по себе становятся стареющими. [67] Стареющие цитотоксические Т-лимфоциты CD8+ становятся более врожденными по структуре и функции, напоминая NK-клетки. [68] Клетки иммунной системы могут быть привлечены SASP к стареющим клеткам, после чего SASP из стареющих клеток может побудить клетки иммунной системы стать стареющими. [63]
Химерные антигенные рецепторы Т-клеток были предложены в качестве альтернативного средства сенолитическим препаратам для устранения стареющих клеток. [63] Было обнаружено, что рецепторы урокиназы высоко экспрессируются на стареющих клетках, что побудило исследователей использовать химерные антигенные рецепторы Т-клеток для устранения стареющих клеток у мышей. [69] [70] Химерные антигенные рецепторы естественных клеток-киллеров были предложены в качестве аллогенного средства устранения стареющих клеток. [71]
Важно признать, что клеточное старение не является изначально негативным явлением. Во время эмбриогенеза млекопитающих запрограммированное клеточное старение играет роль в ремоделировании тканей посредством инфильтрации макрофагов и последующего очищения от стареющих клеток. [72] Исследование мезонефроса и эндолимфатического мешка у мышей подчеркнуло важность клеточного старения для окончательного морфогенеза эмбриональной почки и внутреннего уха соответственно. [72]
Они служат для управления восстановлением и регенерацией тканей. [26] Клеточное старение ограничивает фиброз во время закрытия раны, вызывая остановку клеточного цикла в миофибробластах после того, как они выполнили свою функцию. [26] Когда эти клетки выполнили эти задачи, иммунная система очищает их. Это явление называется острым старением. [27] Старение печеночных звездчатых клеток может предотвратить прогрессирование фиброза печени, хотя это не было реализовано в качестве терапии и несет риск печеночной дисфункции. [73]
Негативные последствия клеточного старения проявляются при переходе от острого к хроническому старению. Когда иммунная система не может очищать стареющие клетки с той скоростью, с которой они производятся, возможно, в результате снижения иммунной функции с возрастом, накопление этих клеток приводит к нарушению гомеостаза тканей. [74]
Было показано, что трансплантация всего лишь нескольких (1 на 10 000) стареющих клеток худым мышам среднего возраста достаточна для того, чтобы вызвать слабость, раннее начало заболеваний, связанных со старением , и преждевременную смерть. [75]
Было показано, что биомаркеры клеточного старения накапливаются в тканях пожилых людей. [76] Считается, что накопление стареющих клеток в тканях позвоночных с возрастом способствует развитию заболеваний, связанных со старением , включая болезнь Альцгеймера , боковой амиотрофический склероз , эндокринные расстройства, включая диабет 2 типа , и различные виды рака . [13] [77] [78] [79] [80]
Прогерия — еще один пример заболевания, которое может быть связано со старением клеток. Считается, что заболевание вызывается мутациями в реакции на повреждение ДНК, укорочением теломер или комбинацией этих двух факторов. [81] Прогероидные синдромы — все это примеры болезней старения, в которых, по-видимому, замешано старение клеток.
Нацеливание на стареющие клетки является многообещающей стратегией для преодоления возрастных заболеваний, одновременного облегчения множественных сопутствующих заболеваний и смягчения последствий слабости . Удаление стареющих клеток путем индукции апоптоза является наиболее простым вариантом, и есть несколько агентов, которые, как было показано, достигают этого. [13] Некоторые из этих сенолитических препаратов используют антиапоптотические пути стареющих клеток (SCAP); нокаутирование экспрессии белков, участвующих в этих путях, может привести к гибели стареющих клеток, оставляя здоровые клетки. [83]
Клеточное старение не наблюдается у некоторых организмов, включая многолетние растения, губки , кораллы и лобстеров . У других организмов, где наблюдается клеточное старение, клетки в конечном итоге становятся постмитотическими : они больше не могут реплицировать себя через процесс клеточного митоза (т. е. клетки испытывают репликативное старение). То, как и почему клетки становятся постмитотическими у некоторых видов, было предметом многих исследований и предположений, но было высказано предположение, что клеточное старение развилось как способ предотвращения возникновения и распространения рака . [84] Соматические клетки , которые делились много раз, будут накапливать мутации ДНК и будут более восприимчивы к тому, чтобы стать раковыми, если деление клеток продолжится. Таким образом, становится очевидным, что стареющие клетки претерпевают преобразование в иммунологический фенотип, который позволяет иммунной системе устранять их. [18]