Системные подходы исследований к генам клеточного старения и долголетия человека

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики

СРС

На тему: «Теломеры. Теломеразная активность.»

Выполнила: Алиякбаров Ш.Х

группа 1-032 ОМ

Проверила: Авдиенко О.В.

Теломеры – это маленькие участки на концах наших хромосом и когда наши клетки делятся ДНК в хромасомах должна копироваться и во время этого процесса последняя маленькая частичка молекулярной цепи – кончик теломеры – не копируется и на протяжении нашей жизни теломеры постепенно укорачиваются и это явление принято называть проблемой репликации концов хромосом, но которую следует назвать проблемой, запланированной заранее [12].

По мере укорочения теломер клетки «стареют» хуже функционируют и они реже начинают делиться, а стволовые клетки реже производят новые копии, а к какому-то моменту их совсем перестают производить. В результате этого человека подводит зрение, наша кожа теряет эластичность, хуже работает иммунная система и начинают происходить ряд других изменений, связанных со старением и при этом нельзя изменить скорость возникновения главных болезней – патология сердца и сосудов, злокачественные опухоли, цереброваскулярные болезни, грипп и пневмония (инфекционные болезни), атеросклероз, сахарный диабет, бронхит, бронхиальная астма, нефриты, цирроз печени -, если не удаться добиться добиться замедления скорости старения. При этом старение – это своего рода болезнь и задача геронтологии заключается не столько в продлении жизни, сколько в замедлении скорости старения, а значит и прогрессирования главных болезней [4,5].

Системные подходы исследований к генам клеточного старения и долголетия человека

В настоящее время известно, что реактивация теломеразы продлевает «репликативную» жизнь соматических клеток, т.е. увеличивает число их делений. Однако, это именно то, что происходит в опухолях и приводит их к злокачественному росту [13].

Как же достичь долголетия человека, замедлив старение, в то же время не вызывая развития злокачественных новообразований?

Одним из предлагаемых путей является реактивация теломеразы в пролиферирующих клетках на фоне стимулирования активности нормальных вариантов онкосупрессоров: р53, р16 и ARF. Так, было показано, что конститутивная сверхэкспрессия обратной транскриптазы (субъединицы теломеразы) с повышенной активностью ключевых супрессоров опухолей, перечисленных выше, приводит к значительному увеличению медианной продолжительности жизни и замедлению различных показателей старения, в частности кожи и кишечника [2].

Полагают, что клеточное старение – это генетическая программа необратимой остановки клеточного цикла, блокирующая реакцию клетки на пролиферирующие стимулы и факторы роста при наличии нерепарируемых повреждений ДНК, в частности, критически укороченных телемер. Выдвигается даже гипотеза, что в эволюции клеточное старение возникло для того, чтобы не дать переродиться геетически поврежденной клетки в опухолевую и определяющую роль в этом процессе, возможно, 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 или оксидативный стресс и несмотря на то, что в стареющих клетках, в частности, фибробластах уровень белка р32 или его мРНК не увеличивается, но возрастает степень его фосфорилирования, а, следовательно, возрастает ДНК-связывающая активность и в результате этого уровень основной мишени р53 и белка р21 в стареющих клетках остается значительно повышен, который при этом нарастает с числом клеточных делений. Именно р21 отвечает за р53 – зависимую остановку клеточных делений. Р53 – зависимая индукция гена 21 приводит к клеточному старению на том основании, что белок р21 ингибирует клеточные регуляторы, в частности, регуляторы клеточного цикла – циклин-зависимые киназы, а также блокирует репликацию ДНК, связываясь с ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA), что и обуславливает необратимость клеточного цикла старения [3, 23].

Недавно было показано, что кодируемые другим локусом –INK4A-FRF – белки p16 и р14 (ARF) также представляют собой клеточные регуляторы клеточного старения. Белок р16, как и р21 выступает в роли ингибитора циклинзависимых киназ. Экспрессия р16 заметно увеличивается с возрастом практически во всех тканях и это результат активации белка митоген-активируемой протеинкиназы р38 в ответ либо на оксидативный или генотоксический стресс, которая есть ничто иное, как опосредованное повышение уровня экспрессии р16 [14, 22].

Удивительным открытием было обнаружение того факта, что р53 играет определяющую роль не только при старении пролиферирующих клеток, но и постмитотических, таких как нейроны или клетки сердечной мышцы и в этом процессе речь идет р53 зависимом апоптозе, когда, например, экспрессия доминантно-негативных, неспособных с ДНК вариантов р53 в нейронах приводит к продлению на 10-20% медианной и максимальной продолжительности жизни, но в тоже время на других биологических образцах, например, различных видах мышей с измененными сверхактивными формами р53 происходит процесс ускоренного старения, характеризуясь короткой продолжительностью жизни и ускоренным развитием возраст-зависимых патологий, а при этом в ряде случаев добавочные копии гена р53 и находящаяся под нормальным генетическим контролем экспрессия, характеризуется у предыдущих биологических объектов усиленным ответом на ДНК с низкой частотой возникновения злокачественной опухоли, но не проявляют признаков ускоренного старения или стареют медленнее [15].

Старение клетки – это загадочный феномен, возможно, играющий определенную роль в старении целостного организма и как было показано у человека, что при более низких концентрациях теломеразы и меньшей длине теломер в лимфоцитах периферической крови в несколько раз увеличивался риск сердечно-сосудистых заболеваний, составляющих, как известно, главную причину старческой смертности [6].

Программа клеточного старения может быть активирована в теломераза-позитивных клетках, какими являются стволовые клетки и поэтому убыль количества стволовых клеток является одной из причин возраст-зависимых нарушений регенерационной способности организма. Решение данной проблемы возможно на путях введения эмбриональных стволовых клеток в организм человека, но это может приводить к отторжению чужих клеток при их трансплантации. Перепрограммирование собственных дифференцированных клеток в подобие эмбриональных клеток приводит к возникновению устойчивых свойств стволовых клеток благодаря обнаружению ряда регуляторых белков, обуславливающих свойства истинно стволовых клеток и увеличивающих продолжительность жизни человека [7].

Следующие факты указывают на то, что клеточное старение – репликативное и стресс-идуцированное, а также сокращение пролиферирующих клеток вообще и стволовых, в частности, приводит к нарушению регенераторной способности тканей и на фоне возраст-зависимой активации апоптоза в ряде тканей при подавлении компенсаторной пролиферации (замещение одних клеток другими) происходят дегенеративные нарушения, что снижает функциональные возможности организма, находя выражение в таких процессах: длина теломер связана со старением целостного организма (1), модельные организмы с дефектами теломеразы характеризуются ускоренным старением и пониженной продолжительностью жизни (2), некоторые симптомы ускоренного старения у человека связаны с преждевременной дисфункцией теломер (3), стареющие клетки способны разрушать межклеточный матрикс, а также индуцировать локальное воспаление и онкогенез (4), снижение пролиферативных способностей или утеря стволовых клеток при старении снижает регенераторные способности любой ткани организма (8) [21].

Ведущие ученые мира видят перспективы исследований клеточного старения для решения новых путей в достижении качественного долголетия на путях:

1. Разработки методов определения биологического возраста человека на основании специфических маркеров клеточного старения;

2. Создание способов контроля экспресии генов, участвующих в клеточном старении – теломеразы, р53, р21, р14 и ARF фармакологическими и генно-инженерными методами in vivo [17];

3. Отработка безопасных подходов к перепрограммированию дифференцированных клеток в стволовые in vivo, в частности исследованиями, показавшими что опосредованное ретровирусом введение четырех транскрипционных факторов (Oct4 /Sox2/ Klf4 /c-Myc) во взрослые дифференцированные клетки приводило к их переходу в клетки, что повышало продолжительность жизни человека [9].

Теломера – фермент, удлиняющий теломеры. Ген, который закодирован на это, присутствует в каждой клетке нашего организма. Однако в большинстве из клеток он не «выражен», что означает, что он не превратился в теломеразу[18].

На протяжении нескольких последних лет обсуждение возможности продления теломер сводилось, главным образом, к самому важному - это возможности включения этого гена, т.е. активации теломеразы и тогда полагали, что, когда нам удасться это сделать, то тем самым станет возможным удлинять теломеры во всех клетках организма и, таким образом, со старением будет покончено. Однако последние исследования in vivo показали, что активация теломеразы не увеличивала среднюю длину теломера и даже не замедляла укорочение теломер в клетках [10].

Все время пока ведутся поиски по активации теломеразы ученых мучает вопрос «Что ещё может замедлить укорочение теломер?». Ответ оказался прост: «Нужно сохранять в целостности те теломеры, которые существуют в клетках и принимать те натуральные средства или так называемые нутрацевтики, которые могут замедлить старение, воздействуя на его истинную причину – укорочение теломер» в противовес образному выражению «Что имеем, то не ценим, потерявши плачем»[20].

Одним из разработчиков данных стала фирма под торговой маркой «Terraternal», авторские права которой защищены международной лицензией на их продажу в 2008 году и при создании продуктов по защите теломер были взяты результаты научных открытий благодаря соединению в одном мощном по воздействию продукте наиболее перспективные в этом отношении нутрацевтики - полезные для здоровья пищевые добавки при длительном курсовом их применении [19].

Старение – разрушительный биологический процесс в соответствии с генетически-запрограммированной теорией старения, а также описывается наиболее вероятный кандидат в гены старения, который называется – теломеры, при котором ограничивается приспособляемость организма и увеличивается вероятность смерти.

Старение является домокловым мечом, занесенным над каждым человеком, начиная с 20-ти летнего возраста. Возраст-зависимые патологии: инфаркт, инсульт, онкологические заболевания, патология опорно-двигательного аппарата, психические и инфекнционные заболевания пожилого возраста [16].

Теломераза фермент, который достраивает укороченную теломеру в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие на основе установленных следующих фактов:

1. Концы линейных хромосом с 3’-конца ДНК заканчиваются повторяющимися последователностями нуклеотидов, получивших название теломер, которые синтезируются рибонуклеиновым ферментом - теломеразой

2. Соматические клетки эукариот, имеющие линейные хромосомы, лишены теломеразной активности. Их теломеры укорачиваются в процессе онтогенеза по мере старения in vivo, так и при культивировании in vitro

3. Половые клетки и клетки иммортиризованных линий, а также опухоли имеют высокоактивную теломеразу, которая достраивает 3’-конец ДНК, на котором реплицируется комплементарная цепь при делении

4. Структуры теломер сильно различаются среди простейших, однако у всех позвоночных они одинаковы – (TTAGGG)n

5. Имеются существенные межвидовые различия в длине теломер, причём у мыши общая их длина в несколько раз превышает таковую у человека (до 150 тыс пар нуклеотидов у некоторых видов мышей и 7-15 тыс. пар нуклеотидов у человека)

6. Репрессия теломеразы клеточное старение в культуре («Лимит Хейфлика»)

7. Клетки больных синдромом преждевременного старения Хатчинсона-Гилфорда и синдромом Дауна имеют укороченные теломеры.

8. При введении теломеразы клетки фибробластов человека, которые в норме делятся лишь 75-80 раз способны поделиться 280 раз без каких-либо признаков старения и патологии. Тщательное исследование выявило, что в этих клетках нет таких признаков малигнизации, как, например, нестабильность хромосом, независимый от добавления натуральной сыворотки рост, отсутствие контактного торможения и потеря контроля над клеточным циклом. Кроме того, что особенно важно, из этих клеток не развиваются опухоли при трансплантации безтимусным мышам. Полученные данные свидетельствуют о том, что экспрессия теломеразы в культуре клеток человека совсем не обязательно вызывают вызывают развитие рака, т.е. теломераза лишена свойств онкогена. Основным свойством теломеразы является контроль клеточного деления, а для возникновения опухолевого роста необходимы дополнительные мутации и факторы.

9. Введение каталитического компонента теломеразы hTERT или теломеразной активности с помощью онкобелка вируса папиломы человека Е7 в кератоциты или в клетки эпителия человека не приводило к их полной иммортализации. Последняя наступала лишь при дополнительном торможении регуляции антионкогена Rb или при угнетении экспрессии р16 в качестве второй важнейшей ступени этого процесса. При элиминации антионкогена р53 такого эффекта не наблюдалось. С другой стороны, протоонкоген с-Мyc может активировать экспрессию теломеразы. С помощью опосредованного микроклетками переноса маркированного геном пео хромосому 20 из стареющих и молодых диплоидных фибробластов человека ввели в молодые фибробласты. Во всех новообразованных клонах наблюдалось уменьшение пролиферативного потенциала на 17-18 удвоений.

10. К восьмому десятку жизни частота деления кожи сокращается на 50%.