Старіння на клітинному рівні

Біологія

Школа № 1260

Реферат

по темі: "Старіння на клітинному рівні."

Виконав

учень 9-А класу

Шайтан

Олексій Костянтинович

Керівник:

Компанеец

Наталія Анатоліївна

Москва 1999

Зміст.
1. Вступ: Старіння як особлива біологічна функція.
2. Історія проблеми.
3. Молекулярні механізми, що обумовлюють старіння клітини.
4. Індукція білків теплового шоку.
5. Активні форми кисню.
6. Теломери.
7. Кінцева недореплікація ДНК.
8. Як працює теломераза?
9. Теломераза, рак і старіння.
10. Штучне подолання «ліміту Гейфліка».
11. Висновок.

Вступ: Старіння як особлива біологічна функція.

Коли відомий вчений А. Вейсман сформулював свою теорію про те,що смерть предків може бути способом розчистити шлях більш досконалимнащадкам, він керувався тільки міркуваннями біологічноїдоцільності. Дійсно, будь-який новий ознака, що виник у дітей,неминуче розбавили б океаном старих ознак батьків, дідів, прадідів іт.д. Таким чином, безсмертя особин того чи іншого виду загальмувало бпрогресивний розвиток цього виду.

Продовження виду залежить від виживання достатнього числа йогопредставників протягом часу, достатній для розмноження і вихованняпотомства до самостійного стану. Це фундаментальне положенняведе до уявлення про те, що кращий спосіб реалізувати виживанняполягає в тому, щоб у ході природного відбору переваги отримувалитварини, що мають найбільш значні фізичні резерви життєво важливихорганів. Більш високий або надмірний рівень фізіологічних можливостейпідвищує ймовірність дожиття тварини до репродуктивного успіху. Якщотварина досягла статевої зрілості і виховав потомство досамостійного стану, то надлишок фізіологічного резерву дозволяєкожному продовжувати активне існування після досягнення життєво важливоїмети. Більш тривала життя кожного індивіда визначається надлишкомрезервів, якими він має у своєму розпорядженні до того терміну, коли мета вже досягнута.
Таким чином, сили природного добору слабшають після досягненнятваринам репродуктивного успіху, оскільки життя за межами цієї подіїмає менше значення для виживання виду. Енергія найкращим чиномвикористовується на гарантування репродуктивного успіху, а не на продовженняіндивідуального життя. Ось чому після досягнення репродуктивного успіхусили природного добору не сприяють подовженню життя. Однак післядосягнення репродуктивного успіху тварина має можливість жити протягомперіоду, тривалість якого визначається рівнем надлишкуфізіологічного резерву, досягнутого на стадії статевого дозрівання.

У різних видів швидкість старіння після репродуктивного успіхурізна. Наприклад, смерть горбуші негайно після нересту або загибель бамбука,який десятками років може розмножуватися вегетативно, але, зацвіли, вмираєв той же сезон. У інших же видів старіння може бути розтягнуто на багатобільший час.

Старіння, розтягнутий в часі, покликану боротися із засміченнямпопуляції предками довгожителями, стимулюючи тим самим прогресивнуеволюцію, працює на виконання тієї ж завдання ще одним способом.
Поява корисного ознаки дозволяє компенсувати у відомих тимчасовихмежах ефект старіння. Великий олень, навіть досягши похилоговіку, може мати більший шанс перемогти у весняному бою за самку абоврятуватися від вовчої зграї, ніж його молодий, але низький родич.

На клітинному рівні запрограмована смерть до теперішнього часуточно доведено експериментальним шляхом. Тут перш за все слідзгадати доказ «ліміту Гейфліка», тобто обмеженості числаподілок певних соматичних клітин організму. Іншим яскравим прикладомтакого роду є апоптоз. У клітці зараженою вірусом включається, яквиявилося, спеціальний механізм самогубства, коли клітина розщеплює своїбіополімери, перш за все ДНК і певні ферменти, і гине, тягнучи зсобою і заразив її вірус. Показано також, що подібний механізмдозволяє організму звільнитися від опинилися шкідливими або непотрібнимиклітин і навіть органів. Наприклад, зникнення хвоста у пуголовка.

Історія проблеми.

Проблемами старіння живих організмів з давніх часів займалисябіогеронтологі. Але причини старіння довгий час були незрозумілі.

Так, на початку цього століття Алексіс Каррель - відомий спеціаліст зкультурі клітин, хірург, лауреат Нобелівської премії - описав експеримент,поставлений, щоб показати можливість послідовного і необмеженодовгого розмноження в культурі фібробластів (фібробласт - клітка зсімейства сполучних клітин, вона може при необхідності перетворитися нахрящову, кісткову, жирову або клітини гладеньких м'язів), отриманих з серцякурчати. Зростання культури був довільно припинений експериментаторами через
34 роки. Це відкриття викликало інтерес у всьому світі.

Важливість відкриття про безсмертя культивованих клітин курчати булаясна для біогеронтологов. Якщо вважати цей факт встановленим, віндозволяє припускати, що клітини, випущені з-під управління живиморганізмом, мають потенційну здатність нормально розмножуватися іфункціонувати протягом періоду, що перевищує тривалість життявиду (максимальна зарегістрірованнаядлітельность життя курей - 12 років.) Цеозначає, що старіння є результатом фізіологічнихвзаємодій між клітинами лише об'єднавши їх, в тканини або воргани. Результати досліджень Карреля та їх інтерпретація були надзвичайноважливі для біогеронтологов, тому що явно припускали, що старіння неє результатом процесів, що відбуваються на клітинному рівні.

Протягом декількох років після появи даних Карреля йогоінтерпретація цих експериментів отримала підтвердження в роботахдекількох лабораторій, де виявили, що популяції клітин, узятих уінших видів, у тому числі і в людини, також мали необмеженуздатність до, здавалося б, необмеженої реплікації. Повідомлення проспонтанному виникненні імморталізованних популяцій клітин великого числатканин людини і тварин надійшли з десятків лабораторій задвадцятирічний період з початку 40-х до початку 60-х років XX століття.
Імморталізованние популяції клітин і зараз виникають випадково в культурахнормальних клітин.

Смерть клітин в культурі спостерігалася з тих пір, як Р. Харрісонстворив першу загальновизнану культуру клітин в 1907 році. Однакпоширилася думка, в основному базується на роботах Карреля, щовсі клітини в культурі є спочатку імморталізованнимі, а загибельвідбувається лише через те, що точні умови росту культури невідомі. Унадалі положення про природжений безсмертя клітин стало догмою середфахівців з культури клітин. Це заводило увагу біогеронтологов відіндивідуальної клітини як місця виникнення вікових змін.

Однак те, що в 50-х роках вважалося безперечним доказомбезсмертя клітин в культурі, невдовзі поступилося місцем новим поглядам іпротилежних результатів. Так у 1961 році Л. Гейфліка і П. Мурхедпоказали обмеженість реплікативної здатності нормальних фібробластівлюдини. Вперше вони виключили артефакти або незнання адекватних умовкультури як можливі причини смерті нормальних клітин в культурі. Вченіпояснили цей феномен як наслідок старіння на клітинному рівні. Вонипоказали, що смерть нормальних клітин людини в культурі не була викликанабудь-якими тривіальними причинами, а була внутрішньою властивістю самихклітин. Вчені довели, що коли нормальні ембріональні клітини людиниростуть у найбільш сприятливих умовах, старіння і смерть неминученаступають після ~ 50 подвоєнь популяції. Цей експеримент був згодомуспішно відтворено в сотнях інших лабораторій.

Молекулярні механізми, що обумовлюють старіння клітини.

На початку 60-х років роботи Гейфліка були сприйняті в багнети. Це булозрозуміло, тому що виходило, що вся шістдесятлітню робота вчених булазроблена не в тому напрямку. Хоча після визнання сенсаційних відкриттів
Л. Гейфліка і П. Мурхеда більше уваги стало приділятися старіння клітинияк одноve з головних факторів старіння організму в цілому.

На даний момент чітко процес старіння клітини не вивчений. Так,існує кілька теорій. Одні вважають, що процес старіння пов'язаний зукороченням теломер. Інші вважають, що суть процесу полягає внцах хромосомспеціальної теломерна ДНК дозволяє вирішити так звану проблемукінцевий недореплікаціі ДНК.

теломерна ДНК (рис. 3,4) потрапила в поле зору молекулярних біологівпорівняно недавно, коли були розроблені ефективні методи визначенняпослідовності нуклеотидів в нуклеїнових кислотах. Першими об'єктамидослідження були одноклітинні найпростіші (війкового інфузорійтетрахімена, зокрема), оскільки через особливості будови ядерного іхромосомного апарату вони містять кілька десятків тисяч дуже дрібниххромосом і, отже, безліч теломер в одній клітці (для порівняння:у вищих еукаріотів на клітину припадає менше ста теломер).

Багаторазово повторюються блоки в теломерна ДНК найпростіших складаютьсявсього лише з шести-восьми нуклеотидних залишків. При цьому один ланцюг ДНКсильно збагачена залишками гуанілова кислоти (G-багата ланцюг; утетрахімени вона побудована з блоків TTGGGG (2 тимін-4 гуанін)), акомплементарна їй ланцюг ДНК відповідно збагачена залишками цітіділовойкислоти (С-багата ланцюг).

У дріжджів повторюються блоки в теломерна ДНК помітно довше, ніж унайпростіших, і найчастіше не настільки регулярні. Яким же було здивуваннявчених, коли виявилося, що теломерна ДНК людини побудована з TTAGGG -блоків (2 тимін-аденін-3 гуанін), тобто відрізняється від найпростіших всьоголише однією літерою в повторі. Більше того, з TTAGGG-блоків побудованітеломерна ДНК (точніше, їх G-багаті ланцюга) всіх ссавців, рептилій,амфібій, птахів і риб. Настільки ж універсальний теломерна ДНК-повтор у рослин:не тільки у всіх наземних рослин, але навіть у їх вельми віддаленихродичів-морських водоростей він представлений послідовністю
TTTAGGG (3 тимін-аденін-3 гуанін). Втім, дивуватися тут особливонічому, так як в теломерна ДНК не закодовано ніяких білків (вона немістить генів), а у всіх організмів теломери виконують універсальніфункції, мова про які йшла вище. Щоправда, з цього загального правила єрідкісні виключення. Найбільш відоме з них - теломерна ДНК плодової мухидрозофіли. Вона представлена не короткими повторами, а ретротранспозону --рухомими генетичними елементами.

Дуже важлива характеристика теломерна ДНК - їх довжина. У людини вонаколивається від 2 до 20 тис. пар основ (т.п.о.), а у деяких видівмишей може досягати сотень т.п.о.

Відомо, що близько теломер є спеціальні білки, що забезпечують їхроботу і беруть участь у побудові теломер. Доведено, що для нормальногофункціонування кожна лінійна ДНК повинна мати дві теломери: по однійтеломери на кожен кінець.

Кінцева недореплікація ДНК.

Відомо, що ДНК-полімерази, синтезуючи дочірню ланцюг ДНК,прочитують батьківську ланцюг у напрямку від її 3'-кінця до 5'-кінця.
Відповідно дочірня ланцюг синтезується в напрямку 5 '> 3'. Упротилежному напрямку синтез ланцюга ДНК фермент каталізувати не може
(рис. 5). Крім того, ДНК-полімераза починає синтез тільки зі спеціального

РНК-праймера - короткою РНК-затравки, комплементарної ДНК. Післязакінчення синтезу ДНК РНК-праймери видаляються, а пропуски в одній здочірніх ланцюгів ДНК заповнюються ДНК-полімеразою. Однак на 3'-кінці ДНКтакий пропуск заповнений бути не може, і тому 3'-кінцеві ділянки ДНКзалишаються однотяжевимі, а їх 5'-кінцеві ділянки - недорепліцірованнимі.
Звідси зрозуміло, що кожен раунд реплікації хромосом буде призводити до їхвкорочення. Зрозуміло, що перш за все повинна скорочуватися довжина теломерна
ДНК.

Цим-то й пояснюється «ліміт Гейфліка», тому що після того, як довжинателомерна ДНК стає загрозливо низькою, настає період кризи --нездатності клітини до подальшого розподілу, а потім і її смерть. Хоча вкультурах клітин in vitro клітини і гинуть від укорочення теломер, але дляклітин in vivo нормального організму це практично неможливо. Так,згідно з недавніми спостереженнями Озава (див. Ozawa, T., Biosci. Rep. (1997) inpress) 89% мітохондріальної ДНК в мітохондріях серця 97-річного старогомістили великі делеції, критичні для реплікації і транскрипції. Тим неменше, цей чоловік помер не від серцевої недостатності, а від ракушлунка. Неважко уявити собі, що подальше наростання дисфункціїмітохондріальної ДНК все ж таки призвело б старого в недалекому майбутньому до смертіі це навряд чи мало відношення до вкорочення ядерної ДНК.

Першим на проблему "кінцевий недореплікаціі ДНК" звернув увагу
А.М. Оловніков в 1971 році. Він висловив гіпотезу про те, що втрата кінцевихпослідовностей ДНК внаслідок їх недореплікаціі веде до старінняклітини. Передбачалося, що процес укорочення теломер і є той часовиймеханізм, який визначає реплікативних потенціал "смертний" клітини, іколи довжина теломер стає загрозливо короткою, цей механізмзапобігає подальший поділ клітин. А.М. Оловніков припустив також,що в нестаріючих клітинах (а до них крім ракових відносяться зародкові,стовбурові та інші генеративні клітини) повинна існуватиспеціалізована ферментативна система, яка контролює іпідтримує довжину теломерна ДНК.

Гіпотеза А.М. Оловнікова знайшла переконливе підтвердження внаступні роки. По-перше, було встановлено, що теломери нормальних (тоє приречених на старіння) клітин дійсно коротшають на 50-60нуклеотидних ланок при кожному клітинному поділі. По-друге, в 1984 році
Е. Блекберн і Е. Грайдер виділили фермент, який за допомогою механізму,відмінного від механізму реакцій, що лежать в основі реплікації ДНК,синтезує теломерна ДНК. Цей фермент був названий, теломерази.

Як працює теломераза.

Отже, основне призначення теломерази - синтезувати повторюютьсясегменти ДНК, з яких складається G-ланцюг теломерна ДНК. Таким чином, вонавідноситься до класу ДНК-полімерази, причому виявилось, що теломераза - це
РНК-залежна ДНК-полімераза або зворотній транскриптаза. Ферменти цьогокласу, які синтезують ДНК на РНК-матрицях, дуже добре відомімолекулярною біологам. Вони закодовані і містяться в ретровірусу
(наприклад, у вірусу імунодефіциту людини, що викликає захворювання СНІДом)і служать для синтезу ДНК-копій їх геномів, який в ретровіруспредставлений РНК. У клітинному геномі зворотні транскриптази закодовані вретротранспозону.

РНК, яка використовується теломерази для синтезу теломерна ДНК в якостіматриці, входить до складу цього ферменту. У цьому унікальність теломерази: на сьогодні це єдина відома РНК-яка містить зворотнійтранскриптаза. Теломеразние РНК у різних організмів сильно розрізняються задовжині і структурі. Теломерази найпростіших містять РНК довжиною в 150-200нуклеотидних залишків (н.о.), довжина теломеразной РНК людини - 450 н.о., утой час як теломераза дріжджів містить аномально довгу РНК (близько 1300н. про .).

Матричний ділянку представлений в теломеразной РНК тільки один раз. Йогодовжина не перевищує довжину двох повторів в теломерна ДНК, які вінкодує і яким він комплементаріїв.

Так як теломераза синтезує сегменти ДНК, що повторюються багато разів,використовуючи тільки один сегмент своєї РНК, вона повинна мати здатністьперіодично (після завершення синтезу кожного повтор) переміщати
(транслоціровать) матричний ділянку в район 3'-кінця синтезуєтьсятеломерна ДНК. Джерелом енергії для такого переміщення, мабуть,служить сама реакція синтезу ланцюга теломерна ДНК, оскількидезоксінуклеозідтріфосфати - субстрати цієї реакції - високоенергетичніречовини.

На рис. 6 зображена загальноприйнята схема механізму синтезу теломернаповторів, що каталізується теломерази. На першій стадії теломераза знаходить
3'-кінець теломерна ДНК, з яким частину матричного ділянки теломеразной
РНК утворює комплементарний комплекс. При цьому теломераза використовує 3'-кінець хромосомної ДНК в якості праймера. Далі настає черга РНК -залежною ДНК-полімеразної активності теломерази. Вона забезпечуєтьсяспеціальної субодиницею теломерази, яка за влаштування свогокаталітичного центру багато в чому схожа з зворотними транскриптазаретровірусів і ретротранспозонів. Коли синтез ДНК-повтору закінчується,відбувається транслокація, тобто переміщення матриці і білкових субодиницьферменту на заново синтезований кінець теломерна ДНК, і весь циклповторюється знову.

Це схематичне уявлення є досить умовним, тому що дляпобудови теломер потрібно ще багато субодиниць, наприклад, що відповідають зазнаходження 3'-кінця ДНК, або субодиниці, що відповідають за транслокації, іт.д.

Аналогічна ситуація спостерігається і для стовбурових клітин, які ділятьсянеобмежено довго. Однак у стовбурової клітини завжди є можливість датидві дочірні клітини, один з яких залишиться стовбурової ( "безсмертну"), аінша вступить в процес диференціювання. Завдяки цьому стовбурові клітинислужать постійним джерелом різноманітних клітин організму. Наприклад,стовбурові клітини кісткового мозку дають початок гемопоезу - процесуутворення клітин крові, а з базальних клітин епідермісу відбуваютьсярізноманітні клітки шкірного покриву. Як тільки нащадки статевих абостовбурових клітин починають диференціюватися, активність теломерази падаєі їх теломери починають зменшуватися. У клітинах, диференціювання якихзавершена, активність теломерази падає до нуля, і з кожним клітиннимподілом вони з неминучістю наближаються до стану сенесенса (перестаютьділитися). Слідом за цим настає криза, і більшість клітин гинуть
(мал. 7). Ця картина характерна для переважної більшості відомихкультур клітин еукаріотів. Однак і тут є рідкісні, але важливі винятки:теломеразная активність виявляється в таких "смертних" клітинах, якмакрофаги і лейкоцити.
Нещодавно було встановлено, що нормальні соматичні клітини тому позбавленітеломеразной активності, що в них повністю пригнічена експресія гена їїкаталітичної субодиниці (зворотної транскриптази). Інші ж складовітеломерази, включаючи теломеразную РНК, що утворюються в цих клітинах, хоча й уменших кількостях, ніж у їх "безсмертних" прабатьків, але постійно.
Відкриття цього важливого факту Дж. Шеем, В. Райтом і їхніми співробітниками і сталоосновою для сенсаційної роботи з подолання «ліміту Гейфліка».

Штучне подолання «ліміту Гейфліка».
Отже, досить недавно Дж. Шей і В. Райт провели сенсаційну роботу поподолання «ліміту Гейфліка». У нормальні соматичні клітини буливнесені гени теломеразной зворотного транскриптази за допомогою спеціальнихвекторів, сконструйованих з вірусних ДНК. Рівень експресії гена веукаріотичної клітині залежить від багатьох факторів, у тому числі від білків --факторів транскрипції, що зв'язуються зі спеціалізованими ділянками ДНК,розташованими в хромосомі по сусідству з цим геном. Геноми вірусів,яким потрібно швидко розмножуватися в клітині-господарі, несуть в собі ділянки
ДНК, здатні у багато разів посилити експресію того чи іншого гена.
Дослідники подбали про те, щоб в їх конструкціях ген теломеразнойзворотного транскриптази людини опинився в оточенні саме таких діляноквірусної ДНК. Результати їх експериментів можна визначити так: клітини, вяких теломераза підтримувала довжину теломер на рівні, характерному длямолодих клітин, продовжували ділитися і тоді, коли контрольні клітини (безтеломерази) старіли і вмирали.
У цій та аналогічної їй роботах особливо ретельно контролюєтьсявідсутність в культурі ракових клітин. Відомо, що клітини більшостідосліджених на сьогодні ракових пухлин характеризуються доситьвисокою активністю теломерази, яка підтримує довжину теломер напостійному рівні. Цей рівень помітно нижче, ніж, наприклад, уембріональних клітин, але він достатній, щоб забезпечити безмежнеділення ракових клітин в культурі. Існує гіпотеза, у якої чималоприхильників, що припускає, що втрата теломеразной активностісоматичними клітинами сучасних організмів є набутих упроцесі еволюції властивість, вберігає їх від злоякісногопереродження.
Порівняно невелика довжина теломер у більшості ракових клітин наводитьна думку про те, що вони походять з нормальних клітин, що досяглипередкризового стану. Цей стан характеризується порушеннямрегуляції багатьох біохімічних реакцій. У таких клітинах відбуваютьсячисленні хромосомні перебудови, які в тому числі і ведуть дозлоякісної трансформації. Більшість цих клітин гинуть, але в частиніз них у результаті випадкових мутацій може активуватися постійнаекспресія генів теломерази, яка буде підтримувати довжину теломер нарівні, необхідному і достатньому для їх функціонування.
Деякий час викликав здивування той факт, що приблизно п'ята частинапроаналізованих ракових пухлин і клітин взагалі не містила активноїтеломерази. Виявилося, однак, що довжина теломер в них підтримується наналежному рівні. Таким чином, в цих клітинах діє інший (нетеломеразний, а скоріше рекомбінаційні) механізм утворення теломерна
ДНК. Іншими словами, такі клітини перебувають у тому ж ряду винятків ізправила, що і дрозофіла.
Останнім часом проводиться багато робіт аналогічні роботі Дж. Шия, В.
Райта. Були повідомлення про те, що клітини з штучно активованоїтеломерази подолали 220 циклів ділення. Останні повідомлення прийшло з
Південно-західного медичного центру в Далласі, в ньому говориться, що вже 220поколінь клітин подолали 70-75 циклів ділення.

Висновок.
Функція старіння клітин і організму в цілому є, безсумнівно, дужеважливим фактором прогресивного розвитку всіх живих організмів на землі.
Сама функція старіння забезпечується багатьма системами та механізмами. Такийпаралелізм підвищує ймовірність виконання цієї функції. Невипадково, щоотримати лінію безсмертних клітин можна, тільки подолавши протидіяяк мінімум трьох генетичних механізмів, про які було написано в цьомурефераті. В організмі таких бар'єрів, звичайно ж, більше. Однак, яксказав академік Скулачов, "сам факт, що їх число повинне бути кінцевим,може вселити оптимізм у душі борців за людське безсмертя ".

Бібліографія.

1. Б. Албертс, Д. Брей, Дж.

Льюіс, М. Рефф, К. Робертс,

Дж. Уотсон Молекулярна біологія клітини. М.: Мир,

1994, т. 1-3

2. А. А. Богданов теломери і теломераза// Соросівський

Освітній Журнал. 1998.

№ 12. С. 12-18

3. Д. Г. Кнорре Біохімія нуклеїнових кислот//

Соросівський Освітній

Журнал. 1996. № 3. С. 11-16

4. В.А. Гвоздьов "Рухома ДНК еукаріотів. Ч. 1-2"

// Соросівський Освітній

Журнал 1998 № 8. С. 8-22.

5. В. П. Скулачов Старіння організму - особлива біологічна функція, а не результат поломки складної біологічної системи: біохімічне обгрунтування гіпотези Вейсмана//

Біохімія, 1997, том 62, вип.

11 , с. 1394-1399

6. Л. Гейфліка Смертність і безсмертя на клітинному рівні// Биохимия, 1997, том

62, вип. 11, с. 1380-1393

7. Х. Д. Осівац, А. Хаманн

Реорганізація ДНК і біологічне старіння

// Биохимия, 1997, том 62, вип. 11, с. 1491-1502

8. UniSci Science & Research

News, 1999 № 1 http://unisci.com

9. Laura DeFrancesco Looking

Into Longevity with Telomere

Detection Kits, 1998

10. Cech Lab - University of

Colorado at Boulder http://petunia.colorado.edu