Посещений:
Старение Клеток и Организма

Стволовые Клетки

How stem cells age and why this makes us grow old
Norman E. Sharpless & Ronald A. DePinho
Nature Reviews Molecular Cell Biology 8, 703-713 (September 2007) | doi:10.1038/nrm2241

Recent data suggest that we age, in part, because our self-renewing stem cells grow old as a result of heritable intrinsic events, such as DNA damage, as well as extrinsic forces, such as changes in their supporting niches. Mechanisms that suppress the development of cancer, such as senescence and apoptosis, which rely on telomere shortening and the activities of p53 and p16INK4a, may also induce an unwanted consequence: a decline in the replicative function of certain stem-cell types with advancing age. This decreased regenerative capacity appears to contribute to some aspects of mammalian ageing, with new findings pointing to a 'stem-cell hypothesis' for human age-associated conditions such as frailty, atherosclerosis and type 2 diabetes.


Рис.1.  |  How stem cells age.


Рис.2.  | Proliferation of beta-cells with age.


Рис.3.  | ates of damaged stem cells.


Рис.4.  |  SNPs and age-related phenotypes at the INK4a/ARF/INK4b locus on human chromosome 9p21.


Box 1  | The hierarchy of haematopoiesis

DATABASES

OMIM
  • ataxia telangiectasia
  • Hutchinson–Gilford syndrome
  • type 2 diabetes mellitus
  • Werner syndrome


    • Entrez-Gene

  • Atr


    • UniProtKB

  • p16INK4a
  • p53
  • ATM
  • RB
  • p15INK4b


    • FURTHER INFORMATION

  • Ronald A. DePinho's homepage
  • Norman E. Sharpless's homepage
    		•
    Приобретенные различия и генетические факторы управляют сложным клеточнм и организменным процессом старения у млекопитающих. Процесс, по-видимому, форсируется средовыми и поведенческими факторами, включая ожирение, диабет, конечная стадия почечной болезни и воздействие мутагенов, таких как химиотерапия, УФЛ и курение. Сходным образом различные генетические повреждения, которые изменяют метаболизм ДНК и ядерную архитектуру, ассоциируют с прогероидными синдромами у людей, такими как ataxia telangiectasia, Werner syndrome и Hutchinson-Gilford syndrome1. Наиболее привлекательными были генетические исследования на дрожжах,Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans и мышах, которые показали критическую роль insulin-insulin-like growth factor-1 (IGF1)-AKT-forkhead transcription factor class O (FOXO) пути (Rev. Russell and Kahn in this issue) и регуляторов кислородных радикалов (Pelicci and colleagues in this issue) в качестве детерминантов продолжительности жизни в этих модельных системах.
    В этом обзоре мы предполагаем, что некоторые аспекты старения млекопитающих возникают в результате связанного с возрастом снижения репликативной функции определенных тканеспецифичных регенеративных клеток - стволовых клеток взрослых (Fig. 1). Эти редкие и специализированные клетки необходимы для замещения ткани в течение всей жизни человека и характеризуются немногими специфическими физиологическими и биохимическими свойствами (rev.Refs 2, 3, 4), особенно способностью к self-renewal.
    Недавние доказательства подтверждают модель, что стволовые клетки некоторых тканей в основном сохраняются в покоящемся состоянии, но могут быть уговорены вернуться назад в клеточный цикл в ответ на внеклеточные сигналы, даже после продолжительного периода состояния бездействия. Будучи стимулированными к делению стволовые клетки дают недифференцированное progeny, которое в свою очередь продуцирует дифференцированные эффекторные клетки посредством последующих раундов пролиферации (Box 1). Эта схема 'иерархической' дифференцировки придает смысл перспективе продолжительности жизни организма - она делает возможной продукцию больших количеств дифференцированных клеток из одиночной стволовой клетки путем комбинирования последующих ступеней дифференцировки, сопровождаемой пролиферацией5,6. Следовательно, этот подход обеспечивает баланс между высокими скоростями гомеостатической пролиферации, которая необходима в тканях, подобных костному мозгу и кишечнику, с долговременной необходимостью защищать стволовые клетки от мутагенных инсультов и канцерогенеза. В самом деле, в условиях гомеостаза, имеется ограниченная пролиферативная потребность собственно само-обновляющихся стволовых клеток и поэтому эти клетки делятся нечасто, сберегая стволовые клетки от опасностей репликации ДНК и митозов. Кроме того, т.к. стволовые клетки, по-видимому, менее метаболически активны в своем покоящемся состоянии, то они могут быть предметом для низких уровней побочных метаболических продуктов, индуцирующих повреждения ДНК, таких как reactive oxygen species (ROS)7.
    Первоначально полагали, что только органы 'с высоким оборотом', такие как костный мозг и кишечник, располагают само-обновляющимися клетками, то теперь считается, что они играют существенную роль в гомеостатическом поддержании многих органов, включая органы с низкой скоростью оборота, такие как головной мозг и панкреатические островки8. Хотя имеется расхождение во мнениях относительно того, какое значение имеют такие клетки в органах с низким оборотом клеток у взрослых людей, их важность у грызунов продемонстрирована экспериментально. Следовательно, разумно предположить, что вообще некоторые характеристики старения - как полагают дегенеративные - могут отражать снижение регенеративной способности резидентных стволовых клеток во многих разных тканях.
    Само-обновление происходит с некоторой опасностью для организма; в частности из-за риска злокачественного перерождения4,9,10. Нерепарируемые генетические повреждения в стволовых клетках переходят на их само-обновляющихся дочерей и накапливаются со старостью таким образом. Функциональные мутации, которые обеспечивают преимуществами роста или жизнеспособности в свою очередь продуцируют позитивный отбор по мутантным клонам стволовых клеток с полноценной раковой опухолью, возникающей в результате накопления множественных событий, способствующих раку. Чтобы компенсировать эту возможность стволовые клетки, по-видимому, вовлекаются во множественные укрепляющие механизмы, которые имеют целью поддержание геномной целостности вне пределов др. пролиферирующих клеток (rev. 2, 3, 4). Если мутации происходят, не смотря на эту способность предупреждения ошибок, существуют мощные опухоль-супрессирующие механизмы, такие как senescence и апоптоз поврежденных геномов стволовых клеток со злокачественным потенциалом и ограниченной репликативной экспансией или отходами таких клонов. Подобное взаимоотношение между само-обновляющимися клетками и раком открывает возможность, что - как несущие благоприятную, противо-раковую функцию - эти опухоль-супрессирующие механизмы могут непреднамеренно вносить вклад в старение, вызывая арест или изнашивание стволовых клеток.
    Здесь мы обсудим недавние уточнения, т.н. 'cancer-ageing hypothesis', согласно которой клетки внутри тканей подвергаются риску с помощью таких противораковых механизмов (Serrano and Blasco in this issue). В частности, мы полагаем, что молекулы, ингибирующие рост, такие как cyclin-зависимый киназный ингибитор p16INK4a и опухолевый супрессор p53 осуществляют свои эффйекты, способствующие старению частично благодаря их активации в специфических само-обновляющихся компартментах, таких как tissue-specific stem cells. Далее мы опишем находки серии недавно опубликованных анализов ассоциаций у людей, которые указывают на связь между INK4/ARF локусом (наз. также CDKN2a и CDKN2b) и началом характерных ассоциированных с возрастом фенотипов у людей. Эти наблюдения вместе с находками в генетических модельных системах предоставляют экспериментальное подтверждение концепции, что активация механизмов супрессии опухолей в само-обновляющихся компартментах вносит вклад в процессы старения у людей.

    Do stem cells age?


    Снижение репликативной функции с возрастом ощутимо во многих тканях млекопитающих. В большинстве тканей млекопитающих, однако, неспособность очищать резидентные стволовые клетки до гомогенности, также как и отсутствие адекватных моделей для тестирования функции этих клеток, делает трудным для определения, происходит ли снижение функции стволовых клеток в самом деле вследствие деградации регенеративной способности, что наблюдается во многих органах с возрастом.
    Ageing of haematopoietic stem cells. В гематопоэтической системе возможно очищение haematopoietic stem cells (HSCs) до почти гомогенного состояния и исследовать их функцию, используя общепризнанные подходы. Следовательно, вопросы могут ли и как стволовые клетки стареют сегодня лучше всего исследованы в этой системе, с предостережением, что старение стволовых клеток может отличаться механистически в др. тканях. Некоторые эффекты старения на кровяные органы описаны у людей: снижение иммунитета11, повышение показателя неспособности костного мозга и гематологические неоплазии12 и умеренная анемия13,14. Старые индивиды более склоны к страданию токсикозами, такими как продолжительная myelosuppression в ответ на традиционные цитотоксические химиотерапевтические лекарства, это говорит о снижении регенеративной способности костного мозга15-17. Особенно впечатляющи клинические наблюдения, что увеличение возраста донора при трансплантации костного мозга является предсказателем связанной с трансплантацией гибели18- 22, подтверждающим, что снижение восстановительной способности HSCs от старых доноров является частично клеточно автономным. Эти наблюдения подтверждают клинически неприкрытый распад функции HSC при нормальном старении человека.
    Эти находки у людей подкрепляются сходными исследованиями у грызунов. Неожиданной находкой оказалось то, что функция HSC четко снижается с возрастом, количество HSCs не обязательно, что также снижается. У некоторых линий мышей количества HSC в действительности увеличиваются по ходу старения7, 23-27 и это зависимое от возраста увеличение HSCs передается при трансплантации, , т.е. клеточно автономное свойство HSCs7, 25. Более того, как показано Harrison с коллегами, HSCs могут быть серийно трансплантированы последовательно реципиентам и обнаруживают сохранение функции в течение более 8 лет, т.е. превосходя продолжительность жизни исходного животного донора28. Эти эксперименты установили, что клеточно-автономное, репликативное истощение HSC не обязательно происходит во время периода нормального старения у некоторых линий инбредных мышей, которые поддерживаются в лабораторных условиях.
    Это, однако, ничего не говорит о том. что репликативная функция HSCs не ограничивается с помощью противо-раковых механизмов по мере старения. Вполне возможно, что старые HSCs меняют свой поверхностный иммунофенотип (и поэтому больше не идентифицируются как HSCs с помощью проточной цитометрии) или что механизмы старения и апоптоза не задействованы вплоть до того, когда старые HSCs не попытаются делиться асимметрично. В последней модели старение или апоптоз д. ограничивать функцию HSC без уменьшения количества HSC. Более того, важно отметить, что количество HSC, по-видимому, снижается с возрастом у др. инбредных линий мышей26,27,29-31, и что некоторые внешние стимулы ( напр., химиотерапия, ионизирующая радиация и т. д.) способствуют истощению стволовых клеток у людей и мышей32-38. Т.о., генетически аутбредные животные в дикой природе могут или нет переживать функциональное истощение HSC с возрастом, а воздействие внешнесредовых стрессов, с которыми обычно сталкиваются в лабораторных условиях могут ещё больше усиливать это истощение HSC. Наконец, независимо от репликативной функции, HSCs обладают клеточно прирожденными функциональными признаками старения. Многочисленные исследования покзали, что старение изменяет функции HSC, связанные с мобилизацией39, возвращением домой (homing)7, 23, 24, 31, 39 и клональным выбором7, 24, 31. В частности наблюдается потеря потенциала давать лимфоидный клон с перекосом в направлении миэлоидного клона у HSCs от старых мышей, а старые HSCs демонстрируют воспроизводимые изменения в генной экспрессии с возрастом, включая повышенную экспрессию транскриптов миелоидного клона7. Следовательно, перевес доказательств указывает на то, что HSCs подвергаются клеточно-прирожденному старению, хотя имеются также доказательства, что старение микроокружения HSC также может влиять на функцию HSC извне (see below).
    Ageing in other self-renewing compartments. Несколько линий доказательств подтверждают, что стволовые клетки из др. тканей страдают снижением пролиферации с возрастом (Fig. 1). Напр.. у грызунов снижается количество новых нейронов, продуцируемых neural stem cells (NSCs) с возрастом или с дисфункцией telomere40, 41, такж как и пролиферация in vivo NSCs41-43. Это снижение способности нейрогенеза у мышей ассоциирует с прогрессивной болезнью Паркинсона41 и с нарушением восприятия запахов по ходу старения44. Сходным образом, поседение волос связано со снижением поддержания стволовых клеток меланоцитов, возможно в связи со старением меланобластов45.
    Способность инсулин-продуцирующих бета-клеток панкреатических островков реплицироваться у взрослых грызунов в течение жизни была известна у же с десяток лет, хотя важность этой регенеративной способности только недавно привлекла к себе внимание в связи с развитием type 2 diabetes mellitus (наз. также с начинающийся у взрослых сахарный диабет) . Преобладающим мнением является то, что type 2 diabetes mellitus является метаболическим заболеванием, возникающим в результате преимущественно ассоциированного с возрастом снижения способности мышц и печени отвечать на инсулин (резистентность к инсулину), но недавний тщательный анализ островковых масс бросил вызов этому мнению. Исследования в непосредственно post-mortem период показали достоверную долю продукции и апоптоза бета-клеток даже у старых людей, с повышением массы бета-клеток, отмеченной у тучных индивидов и относительно сниженной массой бета-клеток у взрослых с диабетом46,47. Следовательно, синтез de novo бета-клеток с помощью само-обновления, по-видимому, является преимущественным источником массы островков у взрослых людей. Репликация островков, по-видимому, снижается с возрастом человека47, хотя репликация бета-клеток описана у пациентов даже в возрасте 89 лет48. В согласии с этими находками у людей, острое снижение пролиферации бета-клеток недавно было описано у старых мышей49. Более 1% островковых клеток от молодых мышей пролиферирует в условиях установившегося состояния, но эта частота снижается почти в 10 раз после возраста в 1 год (Fig. 2). Следовательно, большая часть болезни резистентности к инсулину, type 2 diabetes mellitus, частично возникает в результате относительной неспособности к репликации островков.
    Cell-extrinsic ageing. Эти наблюдения, однако, не делают яснее какой ассоциированный с островками компартмент стареет: являются ли сами бета-клетки предполагаемыми панкреатическими стволовыми клетками или др. ткань влияет на пролиферацию бета-клеток неавтономным способом? Фактически, клеточно неавтономные факторы, как было показано, играют главную роль в регуляции старения стволовых клеток в др. системах. Rando с коллегами показали, что старение регенеративных клеток мышц, сателлитных клеток, зависит от старения микросреды50. Сателлитные клетки от старых мышей были 'омоложены' за счет добавления молодой крови, указывая тем самым, что постаревшая среда, гормональные или иные влияния затрагивают репликативную функцию сателлитных клеток. Аналогично, с некоторыми аспектами функционального снижения, которое характеризует старение HSCs, и как было показано является клеточно автономным, ниши HSC, как ожидается, также влияют на старение HSC до некоторой степени. Напр., у мышей с укороченными теломерами, зависимое от возраста снижение отмечается по способности реципиентных животных поддерживать лимфопоэз трансплантированных HSCs в отличие от молодых мышей с нормальными теломерами, а усиленная миэлоидная пролиферация возникает, когда HSCs трансплантируются в микроусловия, которые приютили дисфункциональные теломеры51.
    Хотя это различие между свойственному клеткам и несвойственному им старению является важным, старение в конечном счете является суммарным итогом организма in toto.Напр., находки, что сыворотка от молодых мышей усиливает пролиферацию сателлитных клеток указывает на то, что присущее клеткам старение некоторых др. тканей происходит так, что оно использует (или неспособно использовать) имеющий значение сывороточный фактор, который модулирует пролиферативную способность сателлитных клеток. Способность воздействовать на гены условно ткане-специфическим и временным способом делает возможным анализ in vivo , чтобы определить, какие компартменты стареют в действительности в противовес тем, что стареют 'по доверенности'.

    What causes cells to age?


    Хотя немного механизмов было предложено для объяснения клеточного старения, независимые линии доказательств указывают на то, что формы ДНК повреждений ведут к активации супрессирующих опухоли механизмов, такие как старение, чтобы ограничить функцию стволовых клеток с увеличением возраста.
    DNA damage results in stem-cell attrition. Накопление повреждений клеточными макромолекулами (напр.. белками и ДНК) как полагают является причиной клеточного изнашивания с возрастом52. ДНК является предметом спонтанных и внешних мутационных событий на ежедневной основе и несмотря на огромную способность к репарации некоторые повреждения ДНК, по-видимому, ускользают от репарации и накапливаются со временем. Доказательством в подтверждение этого мнения, что ДНК повреждения ослабляют функцию стволовых клеток с возрастом были получены в исследовании HSCs от мышей, которые обладают альтерациями в ответе на повреждения ДНК. Существенные функциональные дефекты, обнаруживаемые в HSCs от мышей, которые дефицитны по белками репарации ДНК, таким как FANCD1 (Ref. 53), MSH2 (Ref. 54) или ERCC1 (Ref. 55). Линия мышей с жизнеспособным, гипоморфным аллелем белка репарации ДНК, DNA ligase IV, которая недавно была идентифицирована с помощью мутантного скрининга, обладают заметным, индуцируемым возрастом снижением количества и функции HSC56. Кроме того, Morales et al. показали. что мыши с мутантным аллелем RAD50, членом комплекса репарации ДНК MRE11, демонстрируют выраженную гипоплазию костного мозга57. Этот эффект может быть устранен с помощью урегулирования ataxia-telangiectasia mutated (ATM) киназной недостаточности, указывая тем самым, что аллель Rad50 является гиперморфным и что избыток сигналов о повреждениях ДНК снижает количество и/или функцию HSC. Эти данные указывают на то, что некоторые формы репарации ДНК необходимы для поддержания целостности генома HSC и что активация реакции на повреждения ДНК ставит под угрозу функцию HSC.
    Демонстрация повреждений ДНК в тканеспецифическом компартменте стволовых клеток с возрастом в недавнем сообщении Rossi и др.58. Используя мышей с дефицитом репарации ДНК или метаболизма теломер в зародышевой линии (Ku80-, XPD- и mTERC-нокаутных мышей), авторы обнаружили заметное преждевременное снижение регенеративной функции на HSC при разных подходах. Это исследование подчеркивает повышенную экспрессию маркеров реакции на повреждения ДНК (напр., фокусов гистона H2AX) в высоко очищенных HSCs с нормальным физиологическим старением даже у мышей дикого типа. Авт. отмечают усиление апоптоза в потомстве от старых HSCs, но не снижение способности старых HSCs пролиферировать in vitro. Эти наблюдения хорошо согласуются со снижением способности гематопэтической системы у мышей с дисфункцией теломер, выявляемого после химиотерапевтических воздействий, а также при прогрессирующем нейродегенеративном заболевании, которое ассоциирует с уменьшением резервов NSC и функции у telomerase-knockout модели41,59. В целом эти результаты согласуются с мнением, что повреждения ДНК накапливаются с возрастом в HSC компартменте, на что указывает накопление фокусов H2AX, и что эти повреждения могут быть физиологически значимыми, если не репарируются.
    Но что вызывают повреждения ДНК в компартментах стволовых клеток у взрослых мышей? Ruzankina et al., которые использовали условные аллели гена, отвечающего на повреждения ДНК, Atr (ataxia telangiectasia and Rad3-related) сделали ценное наблюдение60. Потеря Atr является токсичной для пролиферирующих клеток61 и когда Atr соматически вырезался у взрослых мышей в результате вызываемой условиями инактивации, то большинство пролифереирующих клеток быстро исчезает, продуцируя заметную кишечную атрофию и гипоплазию костного мозга спустя 2 недели после активации соотв. условиями. Однако, животные выживали в течение этого временного периода потери клеток, т.к. редкие стволовые клетки, которые оказались не рекомбинированными по Atr аллелю, замещали потерянные клетки. Спустя 1 мес. после подобной активации, мыши выглядели в основном нормально, с быстро пролиферирующими тканями, которые были полностью восстановлены с помощью спорадических Atr-компетентных клеток. Неожиданно эти восстановившиеся мыши затем обнаруживали заметный прогероидный фенотип спустя несколько месяцев, с остеопенией, поседением и потерей лимфоидных и гематопэтических предшественников. Следовательно, избыток регенерации, который был форсирован, чтобы обеспечить восстановление пролиферативных тканей после временной инактивации Atr в некоторых пролиферирующих клетках, вызывает долговременное нарушение функции стволовых клеток в Atr-компетентных клетках (Fig. 1), хотя важно подчеркнуть, что возможные побочные эффекты делеции ATR на нишу стволовых клеток, также могут вносить вклад в ускорение старения. Этот результат согласуется с мнением, что такая форсированная регенерация в ответ на гомеостатические потребности, даже в отсутствие внешних ДНК-повреждающих агентов, может быть токсичной для стволовых клеток во многих системах органов.
    В модели 'DNA-damage accrual' старения, нерепарированные (или неправильно репарированые) геномные повреждения накапливаются с возрастом в компартментах стволовых клеток. В некоторых точках накапливаемые повреждения нарушают нормальную биологию стволовых клеток, ограничивая стволовые клетки выбором меньших возможных судеб: трансформация, старение, апоптоз или дисфункция; напр., потеря способности надежно продуцировать потомство или ослабленный потенциал мультиклональной дифференцировки (Fig. 3). Т.к. этот процесс протекает во времени, то истощенные и/или дисфункциональные компартменты стволовых клеток не могут обеспечить регенеративные нужды данного органа и в результате возникает неспособность к гомеостазу. Сходным образом, если вызванные повреждениями ДНК нарушения аккумулируются, то само-обновляющиеся клоны, которые содержат такие повреждения подвергаются позитивному отбору, приводящему к раку. Следовательно, можно предположить, что рак и старение являются связанными конечными продуктами накопления повреждений ДНК в само-обновляющихся компартментах.
    Как укорочение теломер может повлиять на старение стволовых клеток. Имеется значительный интерес к возможности, что дисфункция теломер, специализированная форма повреждения ДНК, вносит вклад в старение стволовых клеток человека. В отсутствие адекватной активности теломеразы, происходит неумолимо укорочение теломер по ходу пролиферации, запуская в конечном итоге изменения структуры теломер, которые воспринимаются клетками как двунитчатые разрывы ДНК. У человека мощная теломеразная активность преимущественно ограничена компартментами зародышевых клеток, компартментами некоторых соматических ранних стволовых клеток или предшественников и пролиферирующими лимфоцитами.
    В то время как дисфункция теломер в обеспечении интактной реакции на повреждения ДНК может служить как мощный механизм супрессии опухолей, роль обеспечиваемых теломерами checkpoints в старении стволовых клеток остается областью активных исследований. Мыши имеют более длинные теломеры по сравнению с человеческими и поэтому дисфункция теломер, по-видимому, не является основной причиной истощения стволовых клеток во многих линиях Mus musculus. Соответственно, нокаутные по теломеразе мыши62, лишенные теломеразной активности, продуцируют умеренные фенотипические отклонения у взрослых мышей59,63. Длина мышиных теломер может сделаться более ограниченной или укороченной до 'humanized' длины с помощью серии взаимных скрещиваний мышей, которые дефицитны по активности теломеразы. В таких экспериментальных условиях длина теломер становится более короткой с каждой последующей генерацией вплоть до возникновения дисфункции теломер с драматическими фенотипическими отклонениями.
    Животные с дисфункциональными теломерами обнаруживают признаки преждевременного старения, вызываемые активацией механизмов старения и апоптоза в определенных само-обновляющихся компартментах, таких как HSCs, кишечные крипты и семенники59, 63-66. Дефицит p53 устраняет многие дефекты стволовых клеток у мышей, которые обладают дефектными теломерами, но не улинняет продолжительность жизни таких мышей из-за повышенного туморогенеза67,68. Напротив, потеря p21CIP, транскрипционной мишени p53, которая мощно ингибирует клеточный цикл (Fig. 4a), частично увеличивает продолжительность жизни мышей с дисфункцией теломер без усиления туморогенеза и ослабляет некоторые из пролиферативных дефектов, которые обнаруживаются в различных компартментах стволовых клеток дефицитным по теломерам мышей66. Следовательно, повреждения ДНК вызываемые укорочением теломер, частично ощущаются и частично регулируются посредством p53, и p53 осуществляет важные анти-пролиферативные эффекты в стволовых клетках посредством p21CIP.
    Senescence contributes to ageing. Повреждения ДНК и дисфункция теломер, по-видимому, активируют классические механизмы супрессии опухолей в виде старения и апоптоза. Дряхление нуждается в активации белков retinoblastoma (RB) и/или p53 и в экспрессии их регуляторов, наиболее часто p16INK4a и ARF (Refs 69, 70, 71) (Fig. 4a). Мнение, что дряхление предупреждает рак хорошо подтверждено и не является спорным (rev. Refs 72, 73). Экспрессия маркеров дряхления, таких как ассоциированная со старением beta-galactosidase и p16INK4a заметно увеличивается с возрастом во многих тканях в корне отличающихся видов млекопитающих (rev. Ref. 73; see also the Review by Campisi and D'Adda di Fagagna in this issue). Caloric restriction (CR) значительно ослабляет старение грызунов и CR и связанные с этим ограничения диеты замедляют или даже устраняют обусловленное возрастом увеличение экспрессии маркеров старения, включая экспрессию p16INK4a (Refs 74, 75, 76). Провакационно, CR, подобно дефициту p16INK4a77, усиливает функцию стволовых клеток с возрастом78, это подтверждает возможность того, что CR может замедлять старение у млекопитающих за счет снижения активации дряхления в само-обновляющихся компартментах.
    A role for ROS in senescence bears particular relevance. ROS индуцируют дряхление в определенных системах клеточных культур79,80 , но могут также играть важную роль в осуществлении фенотипа старения81. У дефицитных по ATM мышиных HSCs, повышенные уровни ROS, по-видимому, подвергают риску функцию HSC частично посредством p38MAPK-зависимой активации экспрессии Ink4a/Arf34, 35, которая может ослабляться за счет антиоксидантов. Сходным образом, HSCs, которые лишены транскрипционного фактора FOXO, обнаруживают снижение само-обновления и преждевременное истощение в условиях повышенной продукции ROS82. Следовательно, FOXO транскрипционные факторы поддерживают молчание и жизнеспособность HSCl, прежде всего благодаря регуляции физиологических уровней ROS. В то время как FOXO-дефицитные HSCs обнаруживают ROS-зависимое усиленное вхождение в клеточный цикл и повышенный апоптоз, повышенные уровни ROS также могут приводить к накоплению повреждений ДНК и к внеплановой активации механизмов дряхления в этом компартменте стволовых клеток в течение длительного времени.
    Хотя экспрессия маркеров старения ассоциирует с возрастом, наблюдения не выявили причинных взаимоотношений между старением и взрослением (ageing). Недавние исследования само-обновляющихся HSCs, NSCs и клеток панкреатических островков от p16INK4a-дефицитных и избыточно экспрессирующих p16INK4a мышей адресуются к этому вопросу43,49,77,83. эти результаты обнаруживают повышенные уровни p16INK4a , ассоциированные не только с возрастом. но и частично вносят вклад в индуцируемую возрастом неспособность к репликации др. тканей. Во всех трех компартментах дефицит p16INK4a ослабляет вызываемое возрастом снижение пролиферации и функции. Сходным образом, повышенная экспрессия p16INK4a изнуряет функцию HSC и пролиферацию островков зависимым от возраста способом (Fig. 2). Эффекты потери p16INK4a согласуются в этих кардинально отличающихся само-обновляющихся тканях, указывая тем самым. что p16INK4a может способствовать старению в тканях, которые онтогенетически отличны. Однако, потеря p16INK4a не полностью устраняет эффекты старения в любых из этих изученных органов, указывая, что p16INK4a-независимое старение происходит в каждом из этих компартментов.
    Сходные наблюдения подтверждают также pro-ageing роль p53 и его эффекторов у мышей66, 84, 85 и людей86. Случай p53, однако, по-видимому, более сложен, т.к. p53 и его нижестоящие эффекторы, такие как p21CIP, играют также важную роль в регуляции реакции на повреждения ДНК. Фактически, недавнее исследование Serrano и др., которые использовали тщательно охарактеризованные трансгенные линии, показали, что повышенные активности ARF и p53 могут увеличивать продолжительность жизни мышей путем предупреждения рака без сопровождающего увеличения возраста организма87. Кроме того, HSCs от p21CIP-дефицитных мышей демонстрируют преждевременное истощение88, согласующееся с мнением, что p53- и p21CIP-зависимая пауза клеточного цикла в ответ на повреждение ДНК может быть важной для продолжительности жизни стволовых клеток in vivo. Эти результаты указывают на то, что активация p53 может быть как pro-ageing, так и anti-ageing в зависимости от природы и продолжительности стресса, вызывающего эту активацию.

    Ageing and the INK4/ARF locus


    Описанные связи между функцией и старением стволовых клеток предсказывают, что индивиды, которые регулируют механизмы. способствующие старению могут обладать разной предрасположенностью к раку в противовес старению. Описаны соотв., гипоморфные аллели, которые затрагивают функцию p16INK4a или p53 и которые ассоциированы с повышенными типами раковых опухолей (rev. Ref. 73). Недавние данные также показали, что некодирующие полиморфизмы вблизи открытых рамок считывания (ORFs) для p16INK4a, ARF и p15INK4b модифицируют начало ассоциированных с возрастом фенотипов у людей. В замечательной серии недавних исследований, single nucleotide polymorphisms (SNPs), которые находятся очень близко (менее 120 kb) к локусу INK4/ARF ассоциируют с frailty89, type 2 diabetes mellitus90-92 и середечно-сосудистыми заболеваниями93-95 (Fig. 4b). Идентифицированные SNPs могут не быть действительными вариантами, которые передают чувствительность или резистентность к болезни, а некоторые классы повреждений (напр., небольшие инсерции и делеции) могут не обнаруживаться с помощью избранного подхода. Разные SNPs вблизи локуса могут быть ассоциированы с этими фенотипами и, по крайней мере, некоторые ассоциированные SNPs не находятся вlinkage disequilibrium др. с др., это указывает на то, что более одного полиморфизма вблизхи локуса оказывает влияние на эти старческие фенотипы.
    В особенности три исследовательских консорциума, которые связаны с исследованиями ассоциаций по всему геному в крупных, тщательно аннотированных выборках пациентов, описали ассоциации между type 2 diabetes mellitus и некоторыми SNPs вблизи p16 INK4a (Refs 90, 91, 92). Ассоциированные с INK4/ARF SNPs были независимо идентифицированы и имеют общераспространные частоты аллелей риска и существенные эффекты размеров. Этот результат указывает на то, что экспрессия p16INK4a, ARF и/или p15INK4b может быть достоверным детерминантом чувствительности к type 2 diabetes mellitus. Эта модель соогласуется с вновь по достоинству оцененной важностью репликации островков при type 2 diabetes mellitus у человека и эффектом p16INK4a на регенерацию островков in vivo49. Используя также беспристрастные подходы к целому геному, три консорциума недавно описали SNPs вблизи локуса INK4/ARF, которые коррелируют с инфарктом миокарда и атеросклеротической болезнью сердца (ASHD) на крупной человеческой выборке93-95. Важно, что эти SNPs не коррелируют с липидами, глицемией или индексом массы тела, указывая тем самым что они влияют на ASHD независимо от этих известных метаболических характеристик. Следовательно, ASHD SNPs не связаны с type 2 diabetes mellitus SNPs, несмотря на строгую связь между диабетом и сосудистыми заболеваниями. Механической основой подобной ассоциации, предположенной в нескольких сообщения, возможно является связь между старением и болезнями, связанными с возрастом в сердечно-сосудистой системе96-98. Учитывая эти результаты, было бы интересно определить эффекты p15INK4b, p16INK4a и ARF на атеросклероз на мышиных моделях.
    Регуляторные полиморфизмы, которые располагаются на расстоянии более 1 Mb от ORFs , хорошо известны99 и, по-видимому, INK4/ARF локус находится в пределах подобных регуляторных элементов. Хотя существует описание, по-видимому, транскриптов, не кодирующих белки, в этой области (ANRIL100; Fig. 4b), не существует др. белок-кодирующего транскрипта вблизи этих SNPs. Следовательно, в свете генетических исследований на мышах, которые связали функцию Ink4a/Arf и стволовых клеток, белки, кодируемые локусом, наиболее вероятные кандидаты на обеспечение эффектов этих полиморфизмов на показатель этих широко распространенных болезней человека, которые ассоциируют со старением.

    Outstanding questions


    Мы полагаем, что данные, полученные от несравнимых экспериментальных систем грызунов и человека подтверждают мнение, что снижение регенеративной функции стволовых клеток с возрастом вносит вклад в старение млекопитающих и старческие болезни. Но остаются нерешенные вопросы.
    Влияет ли дисфункци теломер на старение человека ? Важным вопросом является, происходит достаточное ли изнашивание теломер в компартментах само-обновления у человека во время физиологического старения, чтобы активировать реакции на повреждения ДНК и затем поставить под угрозу репликативную функцию. Современные данные пока не дают ясного ответа. Люди, которые обладают короткими теломерами из-за врожденной недостаточности компонентов теломеразного комплекса (РНК компонент TERC, telomerase reverse transcriptase (TERT) или dyskerin) обнаруживают связанную с возрастом недостаточность костного мозга или легких101-105. Более того, укорочение теломер в печени предшествует началу печеночной недостаточности (цирроз) у пациентов с хроническим гепатитом106-109, ассоциация, которая была оценена у дефицитных по теломеразе мышей110.В немногих исследованиях продемонстрирована корреляция между длиной теломер и лимфоцитах периферической крови (PBLs) и началом определенных болезней, которые ассоциируют с возрастом. Такие исследования не-опухолевых болезней показали. что длины теломер PBL могут служить биомаркером, предсказывающим развитие атеросклероза111,112, риск рака113,114 и гибель115. Эти результаты подтверждают связь между дисфункцией теломер и старением человека.
    Напротив, могут быть выдвинуты аргументы против базирующегося на теломерах старения людей. Старение у мышей, по-видимому, имеет много сходства со старением у людей и мы верим, что это происходит в основном независимо от длины теломер. Кроме того, хотя длина теломер укорачивается при старении многих тканей у человека, общая длина теломер не линейно коррелирует со старением, более быстрое укорочение наблюдается у молодом зрелом возрасте102,105,116. Возможно, однако, что средняя длина теломер является плохим показателем состояния теломер, т.к. более короткие теломеры, пто способны активировать реакцию на повреждения ДНК117.
    Хотя наблюдения недостаточности костного мозга и легочного фиброза у пациентов с дефектными компонентами теломеразы подтверждают, что дисфункция теломер может вызывать болезни людей, некоторые индивиды из таких родословных, которые обладают дефектным аллелем, не демонстрируют какого-либо фенотипического отклонения. Фактически, гетерозиготы TERT и TERC мутации зародышевой линии у людей обнаруживают строгое соответствие 'ожиданию'102,104,105, это означает, что фенотипические эффекты мутаций более тяжелые в последующих поколениях; это аналогично находкам у мышей, дефицитных по теломеразе. Следовательно, дефицит TERT или TERC наиболее фенотипически выражен у пациентов, которые также наследуют предварительно укороченные теломеры от своих родителей, указывая тем самым, что дефицит теломеразы per se не может быть достаточным для индукции ассоциированных со старением болезней. Важно, однако, что исследования незатронутых носителей в этих родословных были недостаточны, чтобы исключить едва заметные ассоциированные с возрастом фенотипы, а фенотипические последствия дефицита теломеразы могут быть отмечены у таких индивидов при более тщательном обследовании. В целом, мы полагаем, что данные согласуются как с теломера-независимым, так и теломера-зависимым старением стволовых клеток человека.
    Как факторы дряхления вносят вклад в старение? Простейшим объяснением того, как p16INK4a ограничивает репликативную функцию с возрастом, д. быть то, что индукция p16INK4a, в ответ на сигналы, способствующие старению, прирожденно ограничивает репликацию путем индукции физиологического старения и с снижения вступления в клеточный цикл. Напр., репликация панкреатических бета-клеток, как известно, нуждается в активности cyclin-dependent kinase-4 (CDK4)118, 119, биохимической мишени p16INK4. Поскольку p16INK4a накапливается по мере физиологического старения в островках людей и мышей49,120, a потеря p16INK4a усиливает пролиферацию островков зависимым от возраста способом49, то p16INK4a может непосредственно ограничивать репликацию само-обновляющихся клеток с возрастом. Эта клеточно-автономная модель в дальнейшем подтверждена тем фактом, что усиление функции p16INK4a-дефицитных HSCs наблюдается, даже когда такие клетки трансплантируются в p16INK4a-компетентных реципиентных мышей77, 83. Важно, однако, что экспрессия p16INK4a достоверно увеличивается с возрастом в клоне нагативных клеток костного мозга (среди которых менее 0.1% являются настоящими стволовыми клетками), но очень скромно в сильно очищенных long-term (LT)-HSCs (Box 1) от старых мышей; LT-HSCs от старых мышей сохраняют способность реплицироваться in vitro, это указывает на то, что они не старые24, 58. Следовательно, хотя генетические подходы, использующие p16INK4a-дефицитных и p21CIP-дефицитных мышей, подтверждают важные эффекты этих белков в регуляции биологии HSC по мере старения, но эксперименты, которые связаны с анализом высоко очищенных LT-HSC не согласуются с накоплением дряхлых LT-HSCs с возрастом.
    Чтобы уладить эти наблюдения, мы предложили модель, что активация p16INK4a и др. способствующих старению путей (напр., ARF-p53, FOXO-ROS и т.д.) репрессирована в настоящих компартментах стволовых клеток, но такие пути могут ограничивать функцию стволовых клеток, т.к. они продуцируют потомство асимметрично. В соответствие с этой гипотезой, разнообразные компартменты стволовых клеток нуждаются в постоянной способности белков группы Polycomb, таких как BMI1, репрессировать способствующие старению активности Ink4a/Arf локуса121-125 (Fig. 4a). Отсутствие BMI1 не ведет к повышению количества гипофункциональных LT-HSCs, а вместо этого вызывает заметное истощение LT-HSCs, которое частично восстанавливается за счет соотв. инактивации Ink4a/Arf126. Следовательно, активация Ink4a/Arf у Bmi1-нулевых мышей не продуцирует 'старых' LT-HSCs, по крайней мере, на базе поверхностного иммунофенотипа, но вместо этого снижается их частота. Принимая во внимание это наблюдение, не является сюрпризом. что старые LT-HSCs не накапливаются с возрастом, даже в результате активации p16INK4a, играющей причинную роль в снижении функции HSC с возрастом77. Соотв. увеличение экспрессии p16INK4a в клон-негативных клетках костного мозга от старых мышей возможно отражает или накопление дряхлого потомства или старых клеток, которые первоначально были LT-HSCs, но изменили свой поверхностный иммунофенотип.
    Почему 9p21 SNPs сцеплены со старческими болезнями? Недавние находки в исследования ассоциаций у людей коррелирующих локусов, которые находятся вблизи локуса INK4a/ARF на хромосоме 9 с развитием type 2 diabetes mellitus, ASHD и frailty, оказались поразительными. Некоторые говорят в пользу того, что type 2 diabetes mellitus и ASHD являются страческими болезнями скорее, чем старением per se. Хотя это и является важным отличием, мы чувствуем, что любая модель старения человка, которая не объясняет этой причины существенной смертности людей, менее пригодна и поэтому мы полагаем, что их потенциальная ассоциация с экспрессией p16INK4a, p15INK4b и/или ARF имеет отношение к данному обсуждению.
    Следует отметить, что несмотря на данные, подтверждающие связь между p16INK4a и ассоциированное со старением снижением функции стволовых клеток, остается возможность, что эти SNPs не коррелируют с измененной регуляцией продуктов INK4/ARF. Возможно, что имеется недооцененная белок-кодирующая ORF вблизи локуса, не-кодирующий белок транскрипт, такой как ANRIL (Fig. 4b) , кодирующий регуляторные РНК или полиморфизм в этой области, осуществляющие дальнодействующую (более 1 Mb) регуляцию др. белок-кодирующих или microRNA транскриптов. Исследования на человеке и мышах, чтобы выяснить, отражает ли эта корреляция эффект INK4/ARF-базирующихся механизмов опухолевой супрессии на старение людей , активно проводятся. Такие эффекты затрудняются, однако, крупной областью неравновесного сцепления, которая содержит и локус INK4a/ARF , а также почти все скоррелированные с болезнями SNPs (Fig. 4b), это указывает на то, что имеющие отношение к делу генетические регуляторные события д.б. 'спрятаны' где-нибудь внутри большой области вокруг p15INK4b. Независимо от механистической основы. однако, т.к. минорные аллельные частоты уместных SNPs в каждом из этих сообщений являются крупными (более 10%), то эти полиморфизмы, по-видимому, играют главную роль в детерминации начала этих широко распространенных индуцируемых возрастом фенотипов.

    Conclusions


    In summary, we believe the data suggest that we grow old partly because our stem cells grow old as a result of mechanisms that suppress the development of cancer over a lifetime. In this regard, our self-renewing stem cells appear to grow old because of heritable intrinsic events, such as DNA damage, but also due to cell-extrinsic events such as alterations in their supporting niches. Anti-cancer mechanisms such as senescence and apoptosis, which rely on telomere shortening and/or p53 and p16INK4a activation, appear to promote ageing just as their failure is associated with cancer. We believe that a further, more precise mechanistic understanding of this process will be required before this knowledge can be translated into human anti-ageing therapies. For the time being, the most prudent, clinically validated advice appears still to be: don't smoke, eat reasonably and take exercise.

    Roberto Ripa, Luca Dolfi, Marco Terrigno, et al. MicroRNA miR-29 controls a compensatory response to limit neuronal iron accumulation during adult life and aging. BMC Biology, 2017; 15 (1) DOI: 10.1186/s12915-017-0354-x

    Aging in fast motion: The natural lifespan of N. furzeri is only few months (left: male of long-lived strain, aged 6 months; right: geriatric male aged 13 months). The African fish was used as aging model

    C возрастом старится и головной мозг. Познавательная способность снижается и повышается риск возникновения нейродегенеративных болезней, таких как деменция, болезнь Алцгеймера и Паркинсона, повышаются частоты инсультов. Возможной причиной является накопление молекул железа в нейронах, что происходит у всех позвоночных. Сотрудничество исследователей в рамках консорциума JenAge, ученые из Leibniz Institute on Aging -- Fritz Lipmann Institute (FLI) in Jena, Germany, и Scuola Normale Superiore (SNS) in Pisa, Italy, установили, что такое накопление железа связано с микроРНК miR-29. Эта небольшая молекула, как известно, действует как опухолевый супрессор, препятствующий пролиферации раковых клеток. Однако, безусловно miR-29 регулирует также возможность, будет или нет железо отложено в нейронах. Используя Африканских рыб Nothobranchius furzeri -- самое короткоживущее позвоночное, которое может содержаться в лаб. условиях -- коллектив Alessandro Cellerino показал сильное увеличение отложений железа у рыб, у которых была супрессирована miR-29, это приводило к преждевременному старению головного мозга. Напротив, здоровые рыбы обнаруживали больше miR-29 в нейронах, и были они более старые. Следовательно, miR-29 действует как своеобразная молекула, препятствующая старению, подавляющая накопление железа в нейронах.
    "Мы очень надеемся, что наши результаты могут иметь отношение и к человеку," говорит Alessandro Cellerino, проф. Physiology at SNS in Pisa и один из лидеров исследования. Фактически, связь между усиленным накопление железа и нейродегенеративными болезнями уже была известна; имеющиеся результаты также показывали снижение концентрации miR-29 при этих болезнях. Однако, совершенно новым стало то, что miR-29 действует как молекулярный переключатель, ингибирующий накопление железа. Полученные результаты стали обнадеживающими в отношении разработки, базирующихся на miR-29 лекарств для терапии рака, которые уже ведутся, и в отношении разработки новой терапии болезней Алцгеймера и Паркинсона и также лечения инсультов.
    Расшифровка генома рыб Nothobranchius furzeri осуществлена в конце 2015 в Leibniz Institute on Aging (FLI) в рамках изучения быстрого старения. Отсутствуют др. позвоночные со столь быстрым старением, как эти небольшие рыбки. Более 90% генов человека обнаруживаются у этих рыб, это позволяет переносить данные с рыб N. furzeri на людей. Следующим этапом станет разработка терапевтических подходов нейродегенеративных болезней.