Клеточное старение означает по существу необратимый арест роста, который происходит когда клетки, которые могут делиться сталкиваются с онкогенными стрессами. За некоторым исключением эмбриональных стволовых клеток (Miura et al., 2004), большинство клеток, компетентных к делению, включая некоторые опухолевые клетки, могут подвергаться старению, если соотв. образом стимулированы (Shay and Roninson, 2004; Campisi and d'Adda di Fagagna, 2007).
Индуцирующих старение стимулов мириады. Мы сегодня знаем, что ограниченный рост клеток человека в культуре частично обусловлен эрозией теломер, т.е. постепенной потерей ДНК на концах хромосом (теломерах). Теломерная ДНК теряется с каждой S фазой поскольку ДНК полимеразы являются однонаправленными и не могут prime (создавать) новую нить ДНК, что ведет к потере ДНК вблизи конца хромосомы; кроме того, большинство клеток не экспрессируют telomerase, специфический энзим, которые может восстанавливать последовательности теломерной ДНК de novo (Harley et al., 1990; Bodnar et al., 1998). Нам также известно, что изношенные теломеры генерируют постоянно DNA damage response (DDR) реакцию, которая поддерживает арест роста связанный со старением (d'Adda di Fagagna et al., 2003; Takai et al., 2003; Herbig et al., 2004; Rodier et al., 2009, 2011). Фактически многие стареющие клетки обладают геномными повреждениями в не теломерных сайтах, что также вызывает постоянную передачу сигналов DDR, необходимых для старческого ареста роста (Nakamura et al., 2008). Разрывы двойной нити ДНК особенно мощные индукторы (DiLeonardo et al., 1994). Кроме того, соединения, такие как ингибиторы гистоновой деацетилазы, которые расслабляют хроматин без физического повреждения ДНК, активируют DDR белки ataxia telangiectasia mutated (ATM) и p53 опухолевый супрессор (Bakkenist and Kastan, 2003) и вызывают реакцию старения (Ogryzko et al., 1996; Munro et al., 2004). Наконец, многие клетки стареют, когда они воспринимают сильные митогенные сигналы, такие как те, что высвобождаются определенными онкогенами или высоко экспрессируемыми про-пролиферативными генами (Serrano et al., 1997; Lin et al., 1998; Zhu et al., 1998; Dimri et al., 2000). Важно, что эти митогенные сигналы могут создавать повреждения ДНК и постоянные DDR, обусловленные неудачным источником репликации и коллапсом репликационной вилки (Bartkova et al., 2006; Di Micco et al., 2006; Mallette et al., 2007). Т.о., множество вызывающих старение стимулов вызывают эпигеномные нарушения или геномные повреждения.
Старение также может наступать и без обнаружимых передач сигналов DDR. "Культуральные стрессы," природные и
in vivo эквиваленты которых неизвестны, вызывают старческий арест без существенной эрозии теломер (Ramirez et al., 2001). Такие стрессы могут включать несоответствующие субстраты (e.g., tissue culture plastic), сыворотку (большинство клеток по опыту знакомо с плазмой, не с сывороткой,
in vivo), и оксидативные стрессы (напр., культивирование в атмосферном O
2, который является гиперфизиологическим ; Fusenig and Boukamp, 1998; Yaswen and Stampfer, 2002; Parrinello et al., 2003). Клетки также стареют без DDR после потери опухолевого супрессора Pten, фосфатазы, которая противодействует pro-proliferative/pro-survival киназам (Alimonti et al., 2010). Кроме того, эктопическая экспрессия циклин-зависимых киназных ингибиторов (CDKis), которые обычно принуждают к старческому аресту роста, в частности p21WAF1 и p16INK4a, вызывают старение без обычной DDR (McConnell et al., 1998; Rodier et al., 2009).
What defines a senescent cell?
Стареющие клетки не являются молчащими или окончательно дифференцированными клетками, хотя различие не всегда столь прямолинейно. Отсутствуют маркеры или отличительные признаки старения, идентифицированные с уверенностью и полностью специфические для состояния старения. Далее, все стареющие клетки экспрессируют все возможные маркеры старения. Тем не менее, стареющие клетки обладают некоторыми фенотипами, которые в целом и определяют состояние старения (Fig. 1). Существенными характеристиками стареющих клеток являются:
(a) Связанный со старением арест роста по-существу постоянен и не может быть устранен известными физиологическими стимулами. Однако некоторые стареющие клетки, которые не экспрессируют CDKi p16INK4a, могут возобновлять рост после генетических вмешательств, которые инактивируют супрессор опухолей p53 (Beausejour et al., 2003). Пока нед доказательств, что спонтанная инактивация p53 происходит в стареющих клетках (в культуре или in vivo), хотя такие события не невозможны.
(b) Стареющие клетки увеличиваются в размере, иногда увеличиваясь более чем в два раза относительно непостаревших аналогов (Hayflick, 1965).
(c) Стареющие клетки экспрессируют ассоциированную со старением ?-galactosidase (SA-Bgal; Dimri et al., 1995), это частично отражает увеличение массы лизосом (Lee et al., 2006).
(d) Большинство стареющих клеток экспрессируют p16INK4a, который обычно не экспрессируется молчащими или терминально дифференцированными клетками (Alcorta et al., 1996; Hara et al., 1996; Serrano et al., 1997; Brenner et al., 1998; Stein et al., 1999). В некоторых клетках, p16INK4a, путем активации опухолевого супрессора pRB, вызывает образование связанных со старением гетерохроматиновых фокусов (SAHF), которые замалчивают критические про-пролиферативные гены (Narita et al., 2003). Опухолевый супрессор p16INK4a индуцируется с помощью культурального стресса и как поздняя реакция на повреждения теломер или внутрихромосомной ДНК (Brenner et al., 1998; Robles and Adami, 1998; Ramirez et al., 2001; te Poele et al., 2002; Jacobs and de Lange, 2004; Le et al., 2010). Более того, экспрессия p16INK4a увеличивается с возрастом у мышей и человека (Zindy et al., 1997; Nielsen et al., 1999; Krishnamurthy et al., 2004; Ressler et al., 2006; Liu et al., 2009), и её активность оказывается функционально связанной со снижением количества клеток предшественников, которые появляются во многих тканях во время старения тела (Janzen et al., 2006; Krishnamurthy et al., 2006; Molofsky et al., 2006).
(e) Клетки, которые стареют в присутствии передачи сигналов DDR, обнаруживают постоянные ядерные фокусы, наз. ДНК сегментами с изменениями хроматина, усиливающими старение (DNA-SCARS). Эти фокусы содержат активированные с помощью DDR белки, включая phospho-ATM и фосфорилированные ATM/ataxia telangiectasia и Rad3 related (ATR) субстраты (d'Adda di Fagagna et al., 2003; Herbig et al., 2004; Rodier et al., 2009), и отличимы от временных повреждающих фокусов (Rodier et al., 2011). DNA-SCARS включают нефункциональные теломеры или дисфункцией теломер индуцированные фокусы dysfunctional telomeres or telomere dysfunction-induced foci (TIF; d'Adda di Fagagna et al., 2003; Takai et al., 2003; Herbig et al., 2004; Kim et al., 2004).
(f) Стареющие клетки с персистирующей передачей сигналов DDR секретируют ростовые факторы, протеазы, цитокины и др. факторы, которые обладают мощными аутокринными и паракринными активностями (Acosta et al., 2008; Coppe et al., 2008, 2010; Kuilman et al., 2008). Эти ассоциированные со старение секреторные фенотипы (SASP) помогают объяснить некоторые биологические активности стареющих клеток.
Cellular senescence and tumor suppression
Сегодня известно, что клеточное старение является критическим противораковым механизмом, которые предупреждает рост клеток с риском неопластической трансформации.
Стимулы, которые вызывают реакцию старения, все обладают потенциалом, чтобы инициировать или способствовать канцерогенезу. Более того, чтобы сформировать летальную опухоль, раковые клетки д. приобрести сильно увеличенный потенциал роста и способность пролиферировать, т.к. экспрессируют активированные онкогены (Hanahan and Weinberg, 2000), это признаки, которые супрессируются программами старения. Далее, клеточное старение зависит критически от двух мощных путей опухолевых супрессоров: p53 и pRB/p16INK4a (Hara et al., 1991; Shay et al., 1991; Bond et al., 1994; Lin et al., 1998; Schmitt et al., 2002; Beausejour et al., 2003; Collins and Sedivy, 2003; Oren, 2003; Herbig et al., 2004; Jacobs and de Lange, 2004; Ohtani et al., 2004; Chen et al., 2005; Campisi and d'Adda di Fagagna, 2007; Rodier et al., 2007). Оба пути интегрируют множественные аспекты клеточной физиологии, чтобы детерминировать и регулировать клеточные судьбы. У человека и мыши большинство, если не все, раковые опухоли обладают мутациями в одном или обеих из этих путей. Более того, дефекты любого из этих путей ставят под угрозу способность клеток подвергаться старению и существенно увеличивают чувствительность организма к раку.
Исследования на тканях человека и на склонных к раку мышах строго подтверждают, что старение клеток супрессирует рак in vivo. Предраковые nevi человека и аденомы толстого кишечника содержат клетки, которые экспрессируют маркеры старения, включая SA-Bgal и передачу сигналов DDR; однако стареющие клетки оказывались заметно уменьшенными в злокачественных меланомах и аденокарциномах, которые развивались из этих повреждений (Bartkova et al., 2005; Michaloglou et al., 2005). Сходным образом в мышиных моделях экспрессии онкогенного Ras или делеции Pten, стареющие клетки обильны в предраковых повреждениях, но едва обнаружимы в раковых опухолях, которые развиваются в конце концов (Braig et al., 2005; Chen et al., 2005; Collado et al., 2005). Далее, устранение реакции старения с помощью инактивации p53 вызывает сильное ускорение в развитии злокачественных опухолей (Chen et al., 2005).
Кроме того, некоторые опухолевые клетки сохраняют свою способность к старению (Shay and Roninson, 2004) и делают это in vivo в ответ на химиотерапию (Schmitt et al., 2002; Coppe et al., 2010) или в некоторых тканях после реактивации p53 (Ventura et al., 2007; Xue et al., 2007). В этих случаях реакция старения связана с регрессией опухоли. Конечно, регрессия опухоли вызывает воспалительную реакцию, которая стимулирует врожденную иммунную систему, которая элиминирует стареющие клетки. Возникновение локальных воспалений может объяснить др. биологические активности стареющих клеток.
Хотя очевидно, что клеточное старение останавливает зарождающиеся опухоли на предраковой стадии, неясно, как опухоли в конечном итоге, хотя и нечасто, возникают из этих повреждений. Возникают ли они из стареющих клеток, в которых мутации, эпигенетические факторы или сигналы от ткани обращают старческий арест роста? Или они возникают из непостаревших клеток в предраковых повреждениях, которые являются дремлющими или временно неспособными пролиферировать и в конечном счете обходящие апоптоз или старение? В любом случае примеры, приведенные выше и растущий список сходных исследований (Collado and Serrano, 2010), указывают на то, что клеточное старение ограничивает рак путем наложения клеточно-автономного блока на пролиферацию онкогенно поврежденных и подвергнутых стрессу клеток (Fig. 2). Стало неожиданным затем узнать, что стареющие клетки могут также способствовать прогрессированию рака.
Cellular senescence and tumor promotion
На первый взгляд идея, что клеточное старение, запускающее противораковый механизм, может способствовать раку, кажется парадоксальной. Однако эволюционная теория антагонистической плейотропии ставит условие, что биологический процесс может быть как благоприятным, так и вредным в зависимости от возраста организма (Williams, 1957; Rauser et al., 2006). Важно помнить, что рак преимущественно связанное с возрастом заболевание (Campisi, 2003; Balducci and Ershler, 2005). Возраст является самым значительным фактором риска для развития злокачественной опухоли и показатели раковых опухолей растут экспоненциально после 50 лет (у человека). В этом отношении рак очень сходен с дегенеративными болезнями стариков.
Разумность антагонистической плейотропии базируется на том факте, что большинство организмов развиваются в условиях, которые насыщены фатальными внешними опасностями (хищничество, инфекции, голодание и т.д). В этих условиях старые индивиды редки и поэтому отбор против процессов, которые способствуют неспособности и болезням позднего возраста, слабый. Т.о., ассоциированные с возрастом фенотипы, включая связанные с возрастом болезни, избегают сил естественного отбора. Т.о., биологический процесс, который был отобран, чтобы способствовать приспособленности юных организмов (напр., супрессия рака) может стать вредным у старых организмов (способствуя болезням позднего возраста, включая и рак).
Why might cellular senescence be antagonistically pleiotropic?
Как может реакция старения способствовать раку в позднем периоде жизни? Пока нет определенных ответов на эти вопросы. Однако недавние доказательства подтверждают идею, что стареющие клетки могут, по крайней мере, в принципе питать рак и обеспечивает потенциальный механизм, с помощью которого это может осуществляться.
Во-первых, стареющие клетки увеличиваются с возрастом в разных тканях млекопитающих (Dimri et al., 1995; Paradis et al., 2001; Melk et al., 2003; Erusalimsky and Kurz, 2005; Jeyapalan et al., 2007; Wang et al., 2009). Неизвестно, обусловлено это или за счет увеличения генерации или снижения элиминации, или обоих. Независимо от генеза связанное с возрастом увеличение стареющих клеток происходит в митотически компетентных тканях. которые, конечно, являются теми, в которых возникают раковые опухоли.
Во-вторых, стареющие клетки развивают секреторный фенотип (SASP), который может влиять на поведение соседних клеток. Поразительно, но многие SASP факторы, как известно, стимулируют фенотипы, ассоциированные агрессивными раковыми клетками. Напр., стареющие фибробласты секретируют amphiregulin и growth-related oncogene (GRO) ?, которые в модельных клеточных культурах стимулируют пролиферацию предраковых эпителиальных клеток (Bavik et al., 2006; Coppe et al., 2010). Стареющие клетки также секретируют высокие уровни interleukin 6 (IL-6) и IL-8, которые могут стимулировать предраковые и слегка злокачественные эпителиальные клетки, чтобы прорвать базальную мембрану (Coppe et al., 2008). Далее, стареющие фибробласты и мезотелиальные клетки секретируют VEGF (Coppe et al., 2006; Ksiazek et al., 2008), который стимулирует миграцию и инвазию эндотелиальных клеток (критическая ступень в инициируемом опухолью ангиогенезе), а стареющие фибробласты и кератиноциты секретируют matrix metalloproteinases (MMPs; Millis et al., 1992; Kang et al., 2003; Coppe et al., 2010), которые облегчают инвазивность опухолевых клеток. Итак, стареющие клетки стимулируют или ингибируют туморогенез
in vivo?
Senescent cells can stimulate tumorigenesis in vivo.
Пока неясно, могут ли естественно возникшие стареющие клетки стимулировать прогрессирование естественно возникших опухолей in vivo. Однако стареющие, но не нестареющие, фибробласты стимулируют предраковые эпителиальные клетки, которые обычно не образуют опухолей, чтобы сформировать злокачественные раковые опухоли, когда два типа клеток вводят совместно мышам (Krtolica et al., 2001). Далее, совместное введение стареющих, но не nonsenescent, клеток с полностью злокачественными раковыми клетками заметно ускоряет скорость образования опухолей у мышей (Krtolica et al., 2001; Liu and Hornsby, 2007; Bhatia et al., 2008; Bartholomew et al., 2009; Coppe et al., 2010). Т.о., по крайней мере, в мышиных ксенотрансплантантах, стареющие клетки, как было установлено, способствуют злокачественной прогрессии предраковых, а также раковых клеток in vivo (Fig. 2). В будущем более критический тест идеи, что стареющие клетки могут способствовать развитию рака, особенно прогрессированию связанных с возрастом раков, позволит найти необходимые стратегии, чтобы элиминировать стареющие клетки или эффекты SASP из склонных к раку тканей in vivo.
Хотя паракринные активности большинства SASP белков могут способствовать фенотипам, ассоциированных со злокачественностью, SASP является комплексом и поэтому не все компоненты являются способствующими раку. Напр., стареющие кератиноциты секретируют анти-ангиогенный фактор maspin (Nickoloff et al., 2004). Далее, стареющие меланоциты человека секретируют IGFBP7, который вызывает старение во фракции нестареющих меланоцитов и апоптоз в определенных клеточных линиях меланом (Wajapeyee et al., 2008), по крайней мере, в некоторых случаях (Decarlo et al., 2010). Кроме того, каждый SASP фактор может оказывать эффекты, которые зависят от клеточного и тканевого контекста. Напр., IL-6, IL-8 и plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1), которые секретируются стареющими фибробластами, могут способствовать супрессии опухолей путем усиления старческого ареста роста, индуцируемого активированными онкогенами или оксидативными стрессами (Fig. 2; Kortlever et al., 2006; Acosta et al., 2008; Kuilman et al., 2008). О, IL-6 и IL-8, как было установлено, способствуют злокачественному туморогенезу в кооперации с определенными активированными онкогенами (Sparmann and Bar-Sagi, 2004; Ancrile et al., 2007).
Cellular senescence and aging
Рак связанное с возрастом заболевание, но отличается от большинства др. связанных с возрастом патологий, по крайней мере, одним фундаментальным аспектом. Чтобы сформировать летальную опухоль раковые клетки д. приобретать новые, хотя и аберрантные, фенотипы (Hanahan and Weinberg, 2000). Напротив, для большинства связанных с возрастом заболеваний, нормальные клеточные и тканевые функции нарушены. Т.о., большинство связанных с возрастом патологий являются дегенеративными, тогда как рак едва ли может рассматриваться как дегенеративное заболевание. Вносит ли клеточное старение вклад в общее старение тела и связанные с возрастом заболевания помимо рака? Имеется множество, хотя ещё не окончательных доказательств, что ответ на этот вопрос - да.
Altered p53 function and aging.
наиболее неотразимых доказательств, что стареющие клетки могут управлять дегенеративными патологиями старения тела, являются фенотипы трансгенных мышей с гиперактивным p53. Несколько лет тому назад две важные работы описали мышиные модели, в которых постоянная экспрессия искусственно (Tyner et al., 2002) или естественно (Maier et al., 2004) укороченного p53 белка приводила к хронической повышенной активности p53. Эти мыши оказались исключительно свободны от рака, что не было сюрпризом, т.к. p53 является критическим опухолевым супрессором. Что оказалось неожиданным, так это укорочение периода их жизни и преждевременное старение. Подобно всем прогероидным моделям эти мыши не полностью фенокопировали нормальное старение. Тем не менее, обе мышиные модели обнаруживали преждевременные дегенеративные изменения, включая потерю плодовитости, остеопороз, саркопению, истончение кожи, потерю подкожного жира, снижение роста волос и замедленное заживление ран. Отметим, что клетки таких мышей подвергались быстрому старению в культуре (Maier et al., 2004). Более того, ткани от этих мышей быстро накапливали стареющие клетки, а в лимфоидной ткани реакция p53 сдвигалась с преимущественно апоптической на преимущественно старение in vivo (Hinkal et al., 2009). Т.о., имелась строгая корреляция между избыточным старением клеток и фенотипами преждевременного старения.
Необходимо отметить, что др. мышиные модели повышенной активности p53 обнаруживают необычную резистентность к раку, но нормальную продолжительность жизни без признаков преждевременного старения (Garcia-Cao et al., 2002). В этой модели дополнительные копии дикого типа локуса p53 были внесены в геном мыши. Так что будучи скорее коституитивно экспрессируемым p53 регулировался нормально, достигая высших уровней только после активации. Эта повышенная активация p53 действует синергично с др. трансгенами, чтобы увеличить среднюю продолжительность жизни (Matheu et al., 2004, 2007; Tomas-Loba et al., 2008), т.о. p53 может способствовать старению или способствовать увеличению продолжительности жизни в зависимости от физиологического контекста (de Keizer et al., 2010).
Other gene functions and aging.
Др. мышиные модели также подтверждают, что клеточное старение может управлять патологиями, связанными с возрастом помимо рака.
из примеров является условное устранение одиночного аллеля, кодирующего p53-родственный белок p63, которое вызывает экстенсивное клеточное старение и множественные связанные с возрастом патологии (Keyes et al., 2005). Др. примером являются мыши, которые экспрессируют гипоморфную форму белка митотического checkpoint BubR1. Эти мыши переживают генотоксические стрессы, которые вызывают распространенное клеточное старение и тяжелые связанные с возрастом дегенеративные патологии; далее, генетические манипуляции, которые ослабляют that attenuated (p16INK4a deficiency) или усиливают (deficiency in p19ARF) реакцию старения, также ослабляют или усиливают патологии (Baker et al., 2008). Сходным образом мышиная модель Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS), синдрома преждевременного старения детей, вызываемая аберрантным процессингом lamin A, дает фенотипы, которые перекрываются с таковым у HGPS детей и не включают рак; клетки от этих мышей обнаруживают хроническую передачу сигналов DDR, хроническую активацию p53 и клеточное старение (Varela et al., 2005). Далее, применение лекарств, таких statins и aminobisphosphonates, снижает передачу сигналов DDR в клетках, а также облегчает некоторые прогероидные симптомы у мышей (Varela et al., 2008). Во всех этих (и др.) моделях как ускоренное, так и нормальное старение важно, чтобы подчеркнуть, что критические роли p53 и/или p16INK4a/pRB путей не единственные. Имеется множество доказательств, что эти пути взаимодействуют и модулируют др. др. (Zhang et al., 2006; Leong et al., 2009; Su et al., 2009; Yamakoshi et al., 2009).
Наконец, мышиные модели без обычной активированной передачи сигналов DDR, также подтверждают, что стареющие клетки могут управлять фенотипами старости. Одним из примеров являются мыши, лишенные CHIP (carboxy terminus of Hsp70-interacting protein), chaperone/ubiquitin лигазы, которая помогает элиминировать поврежденные белки. CHIP-дефицитные животные быстро накапливают стареющие клетки и быстро обнаруживают связанные с возрастом фенотипы, включая тонкую кожу и потерю жира и плотности кости (Min et al., 2008). Сходным образом, мыши, лишенные циркулирующего гормона Klotho, стареют преждевременно (Kuroo et al., 1997). Первичная причина прогероидного фенотипа у Klotho-дефицитных мышей неизвестна, но Klotho обеспечивает кальцием регулируемую секрецию паратироидного гормона (Imura et al., 2007), стимулирует передачу сигналов FGF в почках (Urakawa et al., 2006) и подавляет передачу сигналов WNT (Liu et al., 2007); беспрепятственная передача сигналов WNT у Klotho-дефицитных мышей ассоциирована с преждевременным старением клеток предшественников в некоторых тканях.
A short retreat from the senescence-centric view of aging.
Хотя эти мышиные модели и др. находки указывают на строгую ассоциацию между фенотипами и патологиями старения и клеточным старением, др. процессы без сомнения также вносят вклад в старение тела и связанные с возрастом болезни. Одним из таких процессов является клеточная гибель. Напр., в одной мышиной модели постоянная активность p53, а также избыточный p53-зависимый апоптоз, который, как полагают, вносит вклад в прогероидный фенотип, обнаруживаемый у этих мышей (Tyner et al., 2002). Кроме того, некоторые клетки в старческих организмах просто теряют функциональность, что также вносит вклад в фенотипы старения. Нейроны, напр., теряют способность формировать синапсы, несмотря на то, что клеточные тела остаются жизнеспособными, это является важным компонентом многих нейродегенеративных патологий (Esiri, 2007). Сходным образом, кардиомиоциты теряют синхронность генной экспрессии, что почти всегда сказывается на функции сердца (Bahar et al., 2006).
How might senescent cells promote age-related pathologies?
Существует три возможных сценария, с помощью которых стареющие клетки могут управлять старением тела.
Во-первых, как полагают, по крайней мере, один из дефектов, обнаруживаемых у Klotho-дефицитных мышей (Liu et al., 2007), клеточное старение может истощять ткани в отношении стволовых клеток и клеток предшественников. Это истощение может ставить под угрозу репарацию, регенерацию и нормальный оборот в ткани, приводя к функциональному ослаблению (Drummond-Barbosa, 2008).
Во-вторых, факторы, которые секретируют стареющие клетки влияют на жизненные процессы - клеточный рост и миграция, тканевая архитектура, формирование кровеносных сосудов и дифференцировка - и поэтому тонко регулируются. Неуместное присутствие этих факторов может нарушать структуру и функцию ткани. Напр., MMP3, секретируемая стареющими фибробластами, ингибирует морфологическую и функциональную дифференцировку эпителиальных клеток груди (Parrinello et al., 2005) и может способствовать опухолевому росту (Liu and Hornsby, 2007).
В-третьих, SASP включает несколько мощных воспалительных цитокинов (Freund et al., 2010). Низкого уровня, хроническое, "стерильное" воспаление является признаком старения тела, которое инициирует и способствует большинству, если не всем основным связанным с возрастом болезням (Franceschi et al., 2007; Chung et al., 2009). Хроническое воспаление может разрушать клетки и ткани, поскольку некоторые иммунные клетки продуцируют сильные оксиданты. Также иммунные клетки секретируют факторы, которые в дальнейшем изменяют и ремоделируют тканевые услвоия, это может вызывать дисфункцию клеток и тканей и нарушать ниши стволовых клеток. Воспалительные оксидативные повреждения могут также инициировать канцерогенез, а воспалительное окружение может способствовать раку путем супрессии иммунного надзора и/или стимуляции злокачественных фенотипов (Allavena et al., 2008; Grivennikov et al., 2010). Т.о., стареющие клетки могут вызывать рак и др. связанные с возрастом патологии с помощью одного и того же механизма (SASP; Fig. 2).
Cause or effect?
Доказательства, что стареющие клетки управляют старением тела остаются косвенными. Классический подход для демонстрации причины и эффекта в биологии это элиминация гена или процесса и определение возникающего фенотипа-неприложим в данном случае. Организмы, у которых клетки неспособны подвергаться старению долго не живут; скорее всего, они погибают преждевременно от рака (Rodier et al., 2007). Др. подходом может быть преобразованные мыши, у которые стареющие клетки могут быть элиминированы, как только они возникают. Хотя эта уловка ещё не была осуществлена, но недавние кратковременные манипуляции на мышах выявили др. неожиданный аспект старческой реакции: роль в репарации ткани.
Cellular senescence and tissue repair
Даже беглое рассмотрение факторов,которые составляют SASP, с наглядностью показывает, что многие их них важны для репарации ткани: факторы роста и протеазы, которые участвуют в заживлении ран, аттрактанты для иммунных клеток, которые убивают патогены, и белки, которые мобилизуют стволовые и клетки предшественники. Т.о., SASP может служить местом коммуникации с клеточными повреждениями и дисфункциями из окружающей ткани и стимулировать репарацию, если необходимо. Два недавних исследования подтвердили эту идею.
После острого повреждения печени у мыши печеночные звездчатые клетки первоначально пролиферируют и секретируют компоненты ВКМ, которые в конечном итоге рассасываются. Вскоре после пролиферативной стадии звездчатые клетки в поврежденной печени подвергаются старению (Krizhanovsky et al., 2008). Эта реакция старения сопровождается уменьшением продукции ВКМ и, как ожидается, из SASP увеличивается секреция некоторых MMPs, которые, как известно, деградируют белки ВКМ. Эти находки подтверждают, что реакция старения помогает рассасыванию фибротических швов. В соответствии с этой идеей, когда звездчатые клетки теряют свою способность подвергаться старению (поскольку дефицитны по p53 или p16INK4a и p19ARF), мыши обнаруживают тяжелый фиброз после осрого повреждения печени.
Сходным образом, в мышиных моделях заживления ран кожи белок ВКМ CCN1 экспрессируется на высоком уровне и важен для миграции, дифференцировки и жизнеспособности клеток. Неожиданно в заживающихся ранах накапливаются стареющие фибробласты и миофибробласты; этого не происходит у мышей, у которые аллели CCN1 дикого типа были заменены на мутантные аллели, кодирующие булки CCN1, которые не могут соединяться с фибробластами (Jun and Lau, 2010). Раны у мутантных мышей с избытком фибротических рубцов, но фиброз устранялся после после местного применения белка CCN1 дикого типа; местное воздействие CCN1 индуцировало клеточное старение и ожидаемую экспрессию MMPs, которые, по-видимому, и помогают устранить фиброз в ранах.
Эти исследования указывают на то, что клеточное старение, хотя без сомнения важная реакция по супрессии опухолей, существует не просто надежный механизм, который перекрывается с апоптозом. Скорее всего реакция старения может быть также необходима для устранения обычных тканевых повреждений (Fig. 2). Эта новая связанная со старением функция в репарации ткани подтверждает, что арест роста был селектирован в ходе эволюции, чтобы супрессировать туморогенез и возможно избыточную клеточную пролиферацию или отложение матрикса во время заживления ран. Напротив, SASP, скорее всего, был отобран, чтобы позволять поврежденным клеткам взаимодействовать с тканевыми микроусловиями. Кроме того, некоторые компоненты SASP могли быть отобраны, чтобы усилить старческий арест роста.
Four faces of cellular senescence
Итак, как же клеточное старение участвует в 4-х сложных процессах (супрессии опухолей, содействию опухолям, старению тела и тканевой репарации), некоторые из которых имеют противоположные эффекты? Мы представляем себе прогрессирование фенотипа старения в виде временных регулируемых ступеней, которые контролируют его активности (Fig. 3).
В культивируемых клетках синхронно индуцированное старение с помощью ионизирующей радиации связанный со старением арест роста наступает быстро, обычно в течение 24-48 ч (DiLeonardo et al., 1994; Rodier et al., 2009, 2011). Клетки, принимая во внимание nonsenescence-индуцирующую дозу ионизирующей радиации, выявляются после 24 ч, но те, что связаны со старением, нет. Т.о., должен существовать период принятия решения, во время которого клетки, подвергнутые онкогенному стрессу, "решают" стареть. Это решение, скорее всего, предотвращает от превращения клеток в раковые (Fig. 3).
Среди самых ранних событий после ареста роста, по крайней мере, в культуре, является экспрессия IL-1? (Orjalo et al., 2009). Этот цитокин, связанный с клеточной поверхностью, активирует транскрипционный факторы κB (NF-κB) и C/EBP? (Orjalo et al., 2009), которые необходимы для экспрессии множества блеков из SASP (Fig. 3; Acosta et al., 2008; Kuilman et al., 2008; Freund et al., 2010). Некоторые из этих белки второй волны SASP усиливают арест роста, тогда как др. облегчают репрарацию ткани и управляют прогрессированием раковых опухолей (Fig. 3).
Мы полагаем, что эти активности предшествуют экспрессии белков, которые позволяют иммунной системе устранять стареющие клетки (Fig. 3). Стареющие клетки экспрессируют лиганды, связанные с поверхностью и адгезивные молекулы, которые нацеливают их для атаки с помощью естественных киллеров и др. иммунных клеток (Krizhanovsky et al., 2008), хотя неизвестно, когда эти белки экспрессируются по отношению к SASP. Поскольку стареющие клетки увеличиваются с возрастом, их очистка оказывается неполной (и стареющие клетки постепенно накапливаются) или индивиды в возрасте генерируют стареющие клетки быстрее, чем иммунная система может их устранять или оба процесса. (Fig. 3).
Наконец, в культуре стареющие клетки в конечном итоге экспрессируют два микроРНК, mir-146a и mir-146b (Bhaumik et al., 2009), которые составляют негативную петлю обратной связи для подавления активности NF-κB (Taganov et al., 2006; Freund et al., 2010). Mir-146a/b возрастают несколько дней спустя после максимальной секреции IL-6 и IL-8 (Fig. 3), и только в клетках, которые секретируют очень высокие уровни (Bhaumik et al., 2009). Т.о., эти микроРНК являются примером др. слоя сложности в регуляции долговременных фенотипов старения, та которая "глушит" SASP, д. достигать очень высоких уровней (Fig. 3). Индукция этих микроРНК может останавливать SASP от генерации персистирующего острого (мощного) воспаления, которое в отличие от низкого уровня хронического воспаления, рассматривается как само-ограничивающее (Taganov et al., 2006). Несмотря на их индукцию, однако, воспалительная реакция может сохраняться, хотя на низком хроническом уровне, и мы полагаем, что это может управлять хроническими патологиями, ассоциированными со старением тела.
Сайт создан в системе
uCoz
