Молекулярно-генетические механизмы старения

Размещено на http://allbest.ru

КГМУ

Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики

СРС по теме:

Молекулярно-генетические механизмы старения

Выполнил: студент группы 1-005

специальность «Стоматология» Похилец Е.Г.

Проверила: Кислицкая В. Н.

Караганда 2014

Теории старения

Современная геронтология имеет несколько теорий, которые дают возможность понять, почему человек стареет и умирает. Все они имеют право на существование, но самой признанной остается молекулярно-генетическая теория старения.

В ее основе лежит гипотеза, утверждающая, что причина старения кроется в первичных изменениях аппарата клетки. Но вот что касается процесса, тут мнения ученых не сходятся, так как может быть два варианта, как именно он происходит и чем он обусловлен.

Если смотреть на эти два варианта процесса, то опровергнуть их просто невозможно.

По первой теории механизм старения генетически заложен в самой клетке, проявления старости -- закономерность установленная природой.

Во втором случае это всего лишь результат накопления ошибок в генетической памяти, которые накопились за период эволюции живых существ. Пока предпочтение за молекулярно-генетической теорией с первым вариантом процесса старения.

Считается, что молекулярно-генетическая теория старения была создана А. Вейсманом, который выдвинул гипотезу разделения функций между соматическими и половыми носителями генетического материала. В основе этой гипотезы лежит отсутствие старения в одноклеточных организмах.

Как утверждает теория Вайсмана, именно соотношение между половыми и соматическими клетками определяет продолжительность жизни. Половые или зародышевые клетки не умирают, так как несут в себе основную генетическую информацию, а вот соматические дифференцируются и умирают.

Первые отвечают за передачу информации в популяции, а вторые обеспечивают их жизнедеятельность. После того как организм выполнил свое предназначение, передав популяции информацию он становится бесполезным и соматические клетки прекращают свое деление. Чем дольше продолжительность функции размножения, тем больше поколений соматических клеток, соответственно дольше продолжительность жизни. Это можно считать естественным отбором, предусмотренным природой.

Для того чтобы теория Вайсмана была подтверждена либо опровергнута, уже проведено множество научных исследований. В ходе этих исследований была установлена закономерность между ограничением питания и ростом, а соответственно и старением организма.

При ограничении питания молодой организм замедляет свой рост, вследствие чего задерживается половое созревание, это в свою очередь замедляет и старение.

Эти опыты дали возможность установить, что старение контролируется генами, как и другие этапы онтогенеза. При ограничении питания организму требуется больше времени для того что бы достигнуть окончательных размеров, выполнить свое предназначение в размножении и запустить обратный отсчет, то есть начать стареть.

Первое опровержение этой теории дали опыты А. Карреля. Этот французский хирург и патофизиолог разработал технику выращивания культуры тканей с использованием плазмы крови и эмбриональной жидкости.

Его эксперимент с клетками тканей миокарда помещенных в питательную среду доказал, что молекулярно-генетическая теория старения далеко не всегда верна, так как слой клеток делился неограниченное число раз.

Молекулярно-генетическая теория старения Вейсмана, нашла свое продолжение в теории Хейлика. Опыты этого ученого доказали что нормальная соматическая клетка имеет строгое количество делений, это число, в честь ученого, назвали число Хейлика. По этой теории соматические клетки имеют лимитированный митотический потенциал и определенную продолжительность жизни.

Пример такого опыта можно наблюдать при помещении фибробласты в питательную среду. Соединительная ткань, взятая из организма, делится определенное количество раз и погибает. Но как же опыты А. Карреля? Отличие между этими исследованиями заключалось в самом материале. Каррель помещал в питательную смесь кусочки тканей, а Хейлик одиночные клетки, что дало более точные результаты.

Разница состояла и в питательной смеси. В опытах Карреля вместе с кровью и эмбриональной жидкостью к образцам попадали новые клетки. Хейлик в свою очередь использовал раствор аминокислот, солей и других низкомолекулярных компонентов.

Таким образом, молекулярно-генетическая теория старения вновь была подтверждена, но это не дало ответа как связано число деления и дифференциация во всех поколениях клеток. Ответ на этот вопрос не дала теломерная теория, она только позволила установить что структура, отвечающая за количество делений - концевые участки хромосом, или теломеры.

В конце ХХ-го века была выдвинута новая теория старения, в процессе доказательства которой была опровергнута теломерная теория.

По новой гипотезе за старение организма отвечают структуры вне ядра клетки, это белковые структуры которые участвуют в делении клеток и являются счетчиком деления - центриоли. Так родилась центриолярная теория Ткемаладзе.

Центриолярная теория Ткемаладзе поставила под вопрос предыдущие гипотезы, приводя неоспоримый факт. Из ядра соматической клетки, возможно, вырастить клонированное животное, значит, она также несет в себе генетическую информацию. Тогда логичнее допустить, что за старение отвечает не ядро, а структуры в цитоплазме.

Исследования клеток привели к выводам, что именно центриоли отвечают за этот процесс. Перед каждым делением они удваиваются, а также руководят формированием каркаса клетки - цитоскелета, который играет важнейшую роль в жизни клетки.

Цитоскелет координирует объединение клеток в ткань и метаболизм клеток, отвечает за начальные этапы эмбрионального развития. Он же отвечает за прохождение внешних сигналов в ядро, вплоть до сигнала на уничтожение клетки. Когда число делений клетки исчерпано, центриоли погибают, прекращается поддержка цитоскелета, а значит, клетка стареет и гибнет. Исключение составляют только клетки способные к регенерации, как, к примеру, клетки печени взрослых животных.

По центриолярной теории Ткемаладзе существуют бессмертные клетки, такими считают клетки высших растений, оплодотворенная яйцеклетка и еще несколько видов изначально лишенных центриолей и цитоскелета. К этому перечню относятся и злокачественные раковые клетки, у которых резко нарушена ориентация центриолей и изменена структура цитоскелета.

Старение организма начинается тогда, когда клетки исчерпали свой лимит делений. Такие клетки становятся дифференцированными, или специализироваными.

В организме человека первыми дифференцированные становятся стволовые клетки. Их большинство имеет подавленный механизм деления, оно формируют запас, все другие идут на формирование организма. Постепенно запас расходуется, для возобновления клеток тканей, когда он исчерпается, стволовые клетки не возобновляют его.

Как альтернатива всем вышеперечисленным гипотезам выдвинута теория случайных мутаций, или ошибок в геноме человека.

Исследования клеток долгожителей старше 100 лет показали преобладаниеаллеля апоЕ2, над аллелем апоЕ4, а ведь последний предрасполагает к некоторым заболеваниям к примеру к гиперходестеринемии и болезни Альцгеймера. Преобладание одних аллелей над другими можно считать мутациями. Именно изменение аполипопротеина, гена отвечающего за долгожительство человека, и может приводить к тому, что организм стареет.

Молекулы ДНК это основа генетического аппарата, они могут повреждаться физическими или химическими агентами, или так называемыми свободными радикалами, что нарушает процесс их деления и может привести к их видоизменению. Такое влияние на генетический материал в ходе эволюции и привело к старению организма.

На сегодняшний день проводятся тысячи исследований, но это только очередные попытки в долгой чреде поисков вечной молодости. Все предыдущие теории старения еще не изучены до конца.

Современные генетики добились потрясающего результата -- клонировав животное. Результатом труда многих ученых стали такие достижения как увеличение числа Хейлика на 20-30 делений, выделен маркер опухолевого процесса, что может помочь победит рак и другие выдающиеся достижения. Но впереди еще очень много работы генетиков, прежде чем человек обретет вечную молодость и бессмертие.

Стволовые клетки

Стволовыме клемтки -- недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза идифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.

Развитие многоклеточных организмов начинается с одной стволовой клетки, которую впрочем никто так не называет, а называют зиготой. В результате многочисленных циклов деления и процесса дифференцировки образуются все виды клеток, характерные для данного биологического вида. В человеческом организме таких видов клеток более 220. Стволовые клетки сохраняются и функционируют и во взрослом организме, благодаря им может осуществляться обновление и восстановление тканей и органов. Тем не менее, в процессе старения организма их количество уменьшается.

В современной медицине стволовые клетки человека трансплантируют, то есть пересаживают в лечебных целях. Например,трансплантация гемопоэтических стволовых клеток производится для восстановления процесса гемопоэза (кроветворения) при лечении лейкозов и лимфом.

Все стволовые клетки обладают двумя неотъемлемыми свойствами:

Самообновление, то есть способность сохранять неизменный фенотип после деления (без дифференцировки).

Потентность (дифференцирующий потенциал), или способность давать потомство в виде специализированных типов клеток.

Стволовые клетки можно разделить на три основные группы в зависимости от источника их получения: эмбриональные, фетальные и постнатальные (стволовые клетки взрослого организма).

старение стволовой клетка биомедицинский

Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуют внутреннюю клеточную массу (ВКМ), или эмбриобласт, на ранней стадии развития эмбриона.

Они являютсяплюрипотентными. Важный плюс ЭСК состоит в том, что они не экспрессируют HLA (human leucocyte antigens), то есть не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Каждый человек обладает уникальным набором этих антигенов, и их несовпадение у донора и реципиента является важнейшей причиной несовместимости при трансплантации.

Соответственно, шанс того, что донорские эмбриональные клетки будут отторгнуты организмом реципиента очень невысок. При пересадке иммунодефицитным животным эмбриональные стволовые клетки способны образовывать опухоли сложного (многотканевого) строения -- тератомы, некоторые из них могут стать злокачественными.

Достоверных данных, о том как ведут себя эти клетки в иммунокомпетентном организме, например, в организме человека, нет.

Вместе с тем, следует отметить, что клинические испытания с применением дифференцированных дериватов (производных клеток) ЭСК уже начаты. Для получения ЭСК в лабораторных условиях приходится разрушать бластоцисту, чтобы выделить ВКМ, то есть разрушать эмбрион. Поэтому исследователи предпочитают работать не с эмбрионами непосредственно, а с готовыми, ранее выделенными линиями ЭСК.

Клинические исследования с использованием ЭСК подвергаются особой этической экспертизе. Во многих странах исследования ЭСК ограничены законодательством.

Одним из главных недостатков ЭСК является невозможность использования аутогенного, то есть собственного материала, при трансплантации, поскольку выделение ЭСК из эмбриона несовместимо с его дальнейшим развитием.

Фетальные стволовые клетки

Фетальные стволовые клетки получают из плодного материала после аборта (обычно срок гестации, то есть внутриутробного развития плода, составляет 9--12 недель). Естественно, изучение и использование такого биоматериала также порождает этические проблемы. В некоторых странах, например, на Украине и в Великобритании, продолжаются работы по их изучению и клиническому применению.

К примеру, британская компания ReNeuron исследует возможности использования фетальных стволовых клеток для терапии инсульта. Эти клетки уже начали дифференцировку, и, следовательно, каждая из них, во-первых, может пройти только ограниченное число делений, и, во-вторых, дать начало не любым, а достаточно определенным видам специализированных клеток.

Так, из клеток фетальной печени могут развиться специализированные клетки печени и кроветворные клетки. Из фетальной нервной ткани, соответственно, развиваются более специализированные нервные клетки.

Постнатальные стволовые клетки

Несмотря на то, что стволовые клетки зрелого организма обладают меньшей потентностью в сравнении с эмбриональными и фетальными стволовыми клетками, то есть могут порождать меньшее количество различных типов клеток, этический аспект их исследования и применения не вызывает серьёзной полемики.

Кроме того, возможность использования аутогенного материала обеспечивает эффективность и безопасность лечения. Стволовые клетки взрослого организма можно подразделить на три основных группы: гемопоэтические (кроветворные), мультипотентные мезенхимальные (стромальные) и тканеспецифичные прогениторные клетки.

Иногда в отдельную группу выделяют клетки пуповинной крови, поскольку они являются наименее дифференцированными из всех клеток зрелого организма, то есть обладают наибольшей потентностью. Пуповинная кровь в основном содержит гемопоэтические стволовые клетки, а также мультипотентные мезенхимальные, но в ней присутствуют малые количества других разновидностей стволовых клеток, при определённых условиях способные дифференцироваться в клетки различных органов и тканей.

Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) -- мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови миелоидного (моноциты, макрофаги, нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, эритроциты, мегакариоциты и тромбоциты, дендритные клетки) и лимфоидного рядов (Т-лимфоциты, В-лимфоциты и естественные киллеры).

Определение гемопоэтических клеток было основательно пересмотрено в течение последних 20 лет. Гемопоэтическая ткань содержит клетки с долгосрочными и краткосрочными возможностями к регенерации, включая мультипотентные, олигопотентные и клетки-предшественники. Миелоидная ткань содержит одну ГСК на 10 000 клеток. ГСК являются неоднородной популяцией.

Различают три субпопуляции ГСК, в соответствии с пропорциональным отношением лимфоидного потомства к миелоидному (Л/M). У миелоидно ориентированных ГСК низкое Л/М соотношение (>0, <3), у лимфоидно ориентированных -- высокое (>10).

Третья группа состоит из «сбалансированных» ГСК, для которых 3 ? Л/M ? 10. В настоящее время активно исследуются свойства различных групп ГСК, однако промежуточные результаты показывают, что только миелоидно ориентированные и «сбалансированные» ГСК способны к продолжительному самовоспроизведению.

Кроме того, эксперименты по трансплантации показали, что каждая группа ГСК преимущественно воссоздаёт свой тип клеток крови, что позволяет предположить наличие наследуемой эпигенетической программы для каждой субпопуляции. Популяция ГСК формируется во время эмбриогенеза, то есть эмбрионального развития. Доказано, что у млекопитающих первые ГСК обнаруживаются в областях мезодермы, называемых аорта, гонада и мезонефрос, до формирования костного мозга популяция расширяется в фетальной печени.

Такие исследования способствуют пониманию механизмов, ответственных за генезис (формирование) и расширение популяции ГСК, и, соответственно, открытию биологических и химических агентов (действующих веществ), которые в конечном счёте могут быть использованы для культивации ГСК in vitro.

Основным источником ГСК является костный мозг. Этот источник и сегодня наиболее широко используется в трансплантологии (см. Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток).

ГСК располагаются в костном мозге у взрослых, включая тазовые кости, рёбра, грудину и другие кости. Клетки могут быть получены непосредственно из тазовых костей при помощи иглы и шприца или из крови, после предварительной обработки цитокинами, включая G-CSF (гранулоцитарный колониестимулирующий фактор), способствующий выходу стволовых клеток из костного мозга.

Вторым, наиболее важным и перспективным источником ГСК является пуповинная кровь. Концентрация ГСК в пуповинной крови в десять раз выше, чем в костном мозге. Кроме того, у этого источника есть ряд преимуществ. Важнейшие из них: * Возраст. Пуповинная кровь собирается на самом раннем этапе жизни организма. ГСК пуповинной крови максимально активны, поскольку не подвергались негативному воздействию внешней среды (инфекционные заболевания, нездоровое питание и т. д.). ГСК пуповинной крови способны создать большую клеточную популяцию в короткий срок.

Совместимость. Использование аутологичного материала, то есть собственной пуповинной крови гарантирует 100%-ную совместимость. Совместимость с братьями и сёстрами составляет до 25 %, как правило, возможно также использование пуповинной крови ребёнка для лечения других близких родственников. Для сравнения, вероятность нахождения подходящего донора стволовых клеток -- от 1:1000 до 1:1000 000.

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) -- мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки). Предшественниками ММСК в эмбриогенный период развития являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Они могут быть обнаружены в местах распространения мезенхимы, то есть зародышевой соединительной ткани.

Основным источником ММСК является костный мозг. Кроме того, они обнаружены в жировой ткани и ряде других тканей с хорошим кровоснабжением. Существует ряд доказательств того, что естественная тканевая ниша ММСК расположена периваскулярно -- вокруг кровеносных сосудов. Кроме того, ММСК были обнаружены в пульпемолочных зубов, амниотической (околоплодной) жидкости, пуповинной крови и вартоновом студне. Эти источники исследуются, но редко применяются на практике. Например, выделение молодых ММСК из вартонова студня представляет собой крайне трудоёмкий процесс, поскольку клетки в нём также располагаются периваскулярно.

В 2005--2006 годах специалисты по ММСК официально определили ряд параметров, которым должны соответствовать клетки, чтобы отнести их к популяции ММСК. Были опубликованы статьи, в которых представлен иммунофенотип ММСК и направления ортодоксальной дифференцировки. К ним относится дифференцировка в клетки костной, жировой и хрящевой тканей. Был проведён ряд экспериментов по дифференцировке ММСК в нейроноподобные клетки, но исследователи по-прежнему сомневаются, что полученные нейроны являются функциональными.

Эксперименты также проводятся в области дифференцировки ММСК в миоциты -- клетки мышечной ткани. Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения ММСК является которансплантация совместно с ГСК в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови. Многочисленные исследования показали, что ММСК человека могут избегать отторжения при трансплантации, вступать во взаимодействие с дендритными клетками и Т-лимфоцитами и создавать иммуносупрессивную микросреду посредством выработки цитокинов.

Было доказано, что иммуномодулирующие функции ММСК человека повышаются, когда их пересаживают в воспалённую среду с повышенным уровнем гамма-интерферона. Другие исследования противоречат этим выводам, что обусловлено гетерогенной природой изолированных МСК и значительными различиями между ними, в зависимости от способа культивирования.

МСК могут быть активированы в случае необходимости. Однако эффективность их использования относительно низка. Так, к примеру, повреждение мышц даже при трансплантации МСК заживает очень медленно. В настоящее время проводятся исследования по активации МСК. Ранее проведённые исследования по внутривенной трансплантации МСК показали, что этот способ трансплантации часто приводит к кризу отторжения и сепсису. Сегодня признано, что заболевания периферических тканей, например, воспаление кишечника лучше лечить не трансплантацией, а методами, повышающими локальную концентрацию МСК.

Тканеспецифичные прогениторные клетки

Тканеспецифичные прогениторные клетки (клетки-предшественницы) -- малодифференцированные клетки, которые располагаются в различных тканях и органах и отвечают за обновление их клеточной популяции, то есть замещают погибшие клетки. К ним, например, относятся миосателлитоциты (предшественники мышечных волокон), клетки-предшественницы лимфо- и миелопоэза.

Эти клетки являются олиго- и унипотентными и их главное отличие от других стволовых клеток в том, что клетки-предшественницы могут делиться лишь определённое количество раз, в то время как другие стволовые клетки способны к неограниченному самообновлению. Поэтому их принадлежность к истинно стволовым клеткам подвергается сомнению.

Отдельно исследуются нейральные стволовые клетки, которые также относятся к группе тканеспецифичных. Они дифференцируются в процессе развития эмбриона и в плодный период, в результате чего происходит формирование всех нервных структур будущего взрослого организма, включая центральную и периферическую нервные системы. Эти клетки были обнаружены и в ЦНС взрослого организма, в частности, в субэпендимальной зоне, в гиппокампе, обонятельном мозге и т. д.

Несмотря на то, что большая часть погибших нейронов не замещается, процесснейрогенеза во взрослой ЦНС всё-таки возможен за счёт нейральных стволовых клеток, то есть популяция нейронов может «восстанавливаться», однако это происходит в таком объёме, что не сказывается существенно на исходах патологических процессов.

Использование в медицине

В России: Распоряжением Правительства РФ от 23 декабря 2009 г. № 2063-р Минздравосцразвития России, Минпромторгу России и Минобрнауки России поручено до конца 2010 г. разработать и представить на рассмотрение в Государственную думу РФ проект закона «О применении биомедицинских технологий в медицинской практике», регламентирующего медицинское применение стволовых клеток, как одной из биомедицинских технологий.

Поскольку законопроект вызвал[12] возмущение общественности и ученых, он был отправлен на доработку и на данный момент не принят.

1 июля 2010 года Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения и социального развития выдала первое разрешение на применение новой медицинской технологии ФС № 2010/255 (лечение собственными стволовыми клетками).

3 февраля 2011 года Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения и социального развития выдала разрешение на применение новой медицинской технологии ФС № 2011/002 (лечение донорскими стволовыми клетками следующих патологий: возрастные изменения кожи лица второй или третьей степени, наличие раневого дефекта кожи, трофической язвы, лечение аллопеции, атрофическое поражение кожи, в том числе атрофические полосы (striae), ожоги, диабетической стопы)

На Украине: С апреля 2013 года на Украине разрешено проведение клинических испытаний (Приказ МЗ Украины № 630 «О проведении клинических испытаний стволовых клеток», 2007 г.[13]) по лечению следующих патологий с применением стволовых клеток: панкреонекроз, ожоговая болезнь, хроническая ишемия нижних конечностей.[14]

Размещено на Allbest.ru