Стволовые клетки и старение

6.Теломеры и  теломераза при старении.

Экспрессия теломеразы подавляется рано в развитии во всех нормальных человеческих соматических тканях, в то время как активность и экспрессия РНК компонента этого энзима происходит почти во всех случаях злокачественной трансформации и рака поздней стадии. Теломерная гипотеза старения и бессмертия постулирует, что достаточная потеря теломеров на одной или нескольких хромосомах в нормальных соматических клетках спо-

собствует клеточному старению, в то время, как реактивация энзима необходима для бессмертия клетки. Проведены змерения длины теломеров и активности теломеразы при раке и в ходе нормального и ускоренного старения в коже, крови, гематопоэтических клетках, клетках скелетной мускулатуры, сосудистых и центральной нервной системы . Исследования в культуре клеток старения и трансформации увеличили наше понимание динамики теломеров в этом процессе. Изменения в репрессии теломеразы и смертности соматических клеток у долгоживущих организмов согласуются с антогонистичными плейортропными моделями, в которых клеточное старение является супрессором механизмом для рака: Обязательное подавление теломеразы имеет благоприятный ранний эффект по уменьшению вероятности рака, но вредный неселективный поздний эффект, связанный с его вкладом в эту связанную с возрастом болезнь/13/.

Молулярная регуляция длины теломеров была объяснена серией элегантных исследований в течение последней декады. В более недавнее время были получены данные по вопросам о том вносит ли вклад регуляция длины теломеров в нормальный процесс старения или болезни у человека и как именно она это делает. Последние исследования на мышах выявили прецендент у млекопитающих, указывающий на то, что дефицит теломеразы может вести к дисфункции in vivo, наиболее вероятно через прогрессивное сокращение теломеров. У людей доказательства того, что сокращение теломеров ведет к дисфункции in vivo, гораздо менее прямые. Существуют методологии манипулирования теломеразной активностью и определения длины теломеров в человеческих клетках и они продолжают развиваться. Остается определить появятся ли научно строгие и (что одинаково важно) и медицински этичные подходы к модулированию длины теломеров для коррекции функциональных расстройств клеточной функции ex vivo и in vivo/36/.

Теломеры в  теломераза - негативных клетках сокращаются  в ходе репликации ДНК in vitro вследствие многочисленных причин, включая неспособность ДНК полимераз копировать отстающие пряди, воздействия на ДНК концы и повреждения, часто вызываемые окислительным стрессом. Короткие теломеры активируют репликативное старение и необратимое прекращение клеточного цикла. Таким образом, длина теломеров является индикатором репликативной истории, клеточного старения и совокупной истории окслительного стресса. Поскольку теломеры в большинстве человеческих клеток сокращаются в процессе старения, то длина теломеров может быть биомаркером старения и связанной со старением заболеваемости. Существуют две отдельные возможности. Первое, короткие теломеры указывают на старение стволовых клеток в ткани, что может вносить вклад в связанное с возрастом истощение этой ткани. Второе, короткие теломеры в одной ткани могут вызвать системные эффекты или могут просто указывать на историю стресса и повреждения у особи, и могут в таком случае служить маркерами риска для связанной с возрастом болезни, имеющий место в совершенно другой ткани. В последние годы были опубликованы данные, поддерживающие оба подхода. В то время как они совместно довольно хорошо объясняют наблюдаемую картину, необходимо указать, что до настоящего времени большинство данных носило коррелятивный характер, и данные об основных путях, например, о влиянии клеточного старения на старение тканей in vivo, по прежнему очень слабы и не достаточны/35/.

Теломеры являются структурами  на концах линейных хромосом. В клетках  млекопитающих они состоят из гексануклотидных (TTAGGG) повторов и с связанными с ними белками. В отсутствие компенсаторного механизма у делящихся клеток происходит постепенное разрушение теломеров до критической степени сокращения, что приводит к хромосомным аномалиям и клеточной смерти или старению. Для Т и В клеток способность к интенсивным клеточным делениям критична для эффективной иммунной функции/14/.

Было показано, что много  генов участвуют в угасании иммунной функции у пожилых Однако, нормальное количество миелоидных и лимфоидных колоний может быть выращено из костного мозга пожилых при оптимальных условиях и определенная часть функции тимуса сохраняется долго в течение взрослой жизни. Также возможно частично восстановить сниженную функцию тимуса путем обработки IL-7. У мышей были получены данные о дисрегуляции образования больших клонов, изменении распределения подмножеств, изменении сигнализации и продукции цитокинов, в особенности уменьшении продукции IL-2. Идентификация этих дефектов может привести к созданию относительно простых процедур для восстановления вакцинации у пожилых/3/.

Таким образом, теломеры являются структурами на концах линейных хромосом. В клетках млекопитающих  они состоят из гексануклотидных (TTAGGG) повторов и с связанными с  ними белками. В отсутствие компенсаторного механизма у делящихся клеток происходит постепенное разрушение теломеров до критической степени сокращения, что приводит к хромосомным аномалиям и клеточной смерти или старению Экспрессия фермента, удлиняющего теломеры, теломеразы подавляется рано в развитии во всех нормальных человеческих соматических тканях, в то время как активность и экспрессия РНК компонента этого энзима происходит почти во всех случаях злокачественной трансформации и рака поздней стадии. Теломерная гипотеза старения и бессмертия постулирует, что достаточная потеря теломеров на одной или нескольких хромосомах в нормальных соматических клетках способствует клеточному старению, в то время, как реактивация энзима необходима для бессмертия клетки. Теломеры в теломераза - негативных клетках сокращаются в ходе репликации ДНК in vitro вследствие многочисленных причин длина теломеров является индикатором репликативной истории, клеточного старения и совокупной истории окслительного стресса. Поскольку теломеры в большинстве человеческих клеток сокращаются в процессе старения, то длина теломеров может быть биомаркером старения и связанной со старением заболеваемости.

7.Влияние генов  на старение.

Генетика является важным инструментом для определения ключевых молекулярных событий, которые участвуют в специфических биологических функциях. Генетические подходы были применены для понимания разнообразных биологических явлений: онкогенеза, развития и клеточного цикла, но только недавно были употреблены для анализа старения организмов. Мощь генетического подхода проистекает из двух фактов. Первое, генетический анализ позволяет интегрировать анализируемое явление на многих уровнях от молекул до интактного организма, и второе, генетика имеет реальную силу выявлять причинную зависимость от факторов, которые не зависимы от предрассудков исследователя. Генетика была плодотворно применена для изучения процессов старения: человеческие гены, идентифцированные как “сегментные прогероидные” мутации, неврологические болезни пожилых, лимитированная пролиферативная продолжительность жизни соматических клеток в культуре тканей, исследования продолжительности жизни мыши и генетический анализ продолжительности жизни животных с коротким жизненным циклом (Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans) и дрожжей Saccharomyces cerevisiae/15/.

Стволовые клетки образуют дифференцированные клеточные типы во многих органах на всем протяжнии  жизни организма, и поэтому ответственны за продолжительность жизни многоклеточных организмов. Поэтому старение стволовых  клеток должно быть предотвращено. Bmi1 требуется для поддержания взрослых стволовых клеток в некоторых тканях, частично потому , что он репрессирует гены, которые индуцируют старение и клеточную смерть/21/.

Таким образом, генетика является важным инструментом для определения ключевых молекулярных событий, которые участвуют в специфических биологических функциях.. Мощь генетического подхода проистекает из двух фактов. Первое, генетический анализ позволяет интегрировать анализируемое явление на многих уровнях от молекул до интактного организма, и второе, генетика имеет реальную силу выявлять причинную зависимость от факторов, которые не зависимы от предрассудков исследователя. Генетика была плодотворно применена для изучения процессов старения

8..Старение и  гематопоэтические стволовые клетки (ГСК).

В то время как ожидается, что увеличивающееся число пожилых  пациентов в будущем будут  нуждаться в химеотерапии и радиотерапии, применение химеотерапии в стандартных  дозах в неотобранных групах пожилых  больных обычно приводит к более высокому уровню угрожающих жизни миелосупрессий и связанных с лечением смертей по сравнению с молодыми пациентами, которых лечили теми же химеотерапевтическими дозами. Биологические механизмы, лежащие в основе уменьшения толерантности к химеотерапии гемопоэтической системы у пожилых пациентов, все еще остаются плохо понятыми. Выявление таких механизмов поэтому представляет собой фундаментальную проблему для улучшения стратегии химиотерапии у пожилых пациентов, больных раком. Современные данные заставляют предположить, что связанные со старением изменения в костном мозге являются довольно неуловимыми и по всей вероятности не имеют отношения к гематопоэтической функции у нормальных пожилых пациентов. Эти изменения, однако, могут стать клинически очевидными при условиях сильного гемопоэтичского стресса, таких, как проведение повторных курсов химео-радиотерапии. Механизмы, лежащие в основе зависимого от возраста гематопоэтического резерва, не полностью прояснены и возможно включают связанные с возрастом изменения в компартментах стволовых и прогениторных клеток, которые в конце концов могут вести к уменьшению способности восстановления после гематологического стресса. Связанные с возрастом изменения в антиопухолевых иммунных ответах также должны быть учтены для целей управления остаточной болезнью у старых пациентов, болеющих раком и леченных эффективной химео-радиотерапией. Поскольку дендритные клетки, генерируемые у старых пациентов, по-видимому являются полностью функциональными, основанная на дендритных клетках иммунотерапия может представлять собой важный инструмент для лечения остаточной болезни у старых пациентов, больных раком. В то время как четко установлено, что первичный профилактике с гемопоэтическими ростовыми факторами позволяет большой фракции пациентов больных раком получать надлежащую химеотерапию, инновационные стратегии использования таких факторов роста могут позволить интенсифицированную со временемхимеотерапию стандартными дозами для лечения химеочувствительных опухолей, т.е. не-Ходжкин лимфом, встречающихся у пожилых пациентов/24/.

Вопрос о том стареют  ли гематопоэтические клетки вызвал значительную полемику, и снова встал  недавно в связи с растущим интересом к трансплантации и  генной терапии. Исследования были сосредоточены  на образовании различных элементов крови и способности к самообновлнию, т.е. на тех свойствах, которые характеризуют стволовые клетки. Рассмотренные полученные данные свидетельствуют о том, что гематопоэз сохраняется в течение всей жизни, хотя способность справляться с гематологическим стрессом уменьшается в пожилом возрасте. В принципе, стволовые клетки, полученные от пожилых пациентов могут использоваться при аутологичной трансплантации, когда нужно восстановить базовый гематопоэз. Однако, системы развития Т клеток изменены при старении, и вмешательство для усиления Т клеточного ответа все еще нуждается в рассмотрении. Существующие методы экспансии и поддержания стволовых клеток in vitro дают возможность исследовать потенциал стволовых клеток для длительной экспансии и функционирования. Критическая оценка возможных рисков репликативного старения и изменений в развитии стволовых клеток стала вероятной. Эффекты старения можно связать с клеточной репликацией, клеточной миграцией и лимфоидной дифференцировкой. Понимание механизмов этих процессов позволит воспроизвести экспансию стволовых клеток и поддержание их потенциала для длительного функционирования/9/.

В результате нескольких последних  исследований было показано, что гематопоэтические  стволовые клетки (ГСК0 способны к трансдифференцировке за границы линий тканей, что дало начало концепции о том, что эти стволовые клетки являются пластичными в своей способности к дифференцировке. Эта тема вызвала большое воодушевление в научном сообществе, поскольку появилась перспектива использовать ГСК в тканевой/органной регенерации(в том числе при инфаркте миокарда, инсульте, повреждении печени) в качестве альтернативы мультипотентным эмбриональным стволовым клеткам. Однако, последние наблюдения и несколько альтернативных объяснений ранее опубликованных данных (слияние клеток, эпигенетические изменения) не подтверждают концепцию о пластичности ГСК. Наши последние исследования, в которых мы использовали хемотаксическую изоляцию с использованием градиента полученного из стромы фактора 1(SDF-1) с обратным транскрипционным (RT)-PCR/иммуногистохимическим анализом, показали, что костный мозг содержит высокомобильную популяцию CXCR4+ клеток, которая экспрессирует мРНК/белки для различных маркеров ранних тканевых стволовых клеток (tissue-committed stem cells (TCSCs)). Основываясь на наблюдениях, что число TCSCs достигает наиболее высокого уровня в костном мозге молодых животных и уменьшается, получено новое понимание природы старения и возможность объяснения, почему процесс регенерации становится менее эффективным с возрастом/16/.

Накапливающиеся свидетельства  говорят о том, что кроме гематопоэтических  стволовых клеток, костный мозг содержит эндотелиальные стволовые клетки (ЭнСК), мезенхимальнные стволовые клетки (МСК), мультипотентные взрослые прогениторные клетки (МВСК) также, как тканевые стволовые клетки (ТСК). Предлагается гипотеза, что все эти изменчивые стволовые клетки, полученные из костного мозга представляют в действительности разные субпопуляции ТСК. Эти клетки накапливаются в костном мозге в течение онтогенеза и, будучи мобильной популяцией клеток, освобождаются после тканевого повреждения для регенерации поврежденных органов.. Более того, поскольку костный мозг служит убежищем для ТСК, их присутствие в препаратах мононуклеарных клеток, интерпретируется просто как трансдифференцировка или пластичность ГСК. В заключение, данные о том, что число ТСК, накапливающихся в костном мозге молодых животных, уменьшается в процессе старения дают понимание процесса старения и могут объяснить, почему процессы регенерации становятся менее эффективными у пожилых/26/.

Поддержание нормальной функции  гематопоэтических стволовых клеток (ГСК) является критически важным для  коагуляции крови, транспорта кислорода  и защите хозяина от инфекции. Потенциальная причина дисфункции ГСК является старение, при котором ГСК и прогениторные клетки страдают от блока пролиферации. Исследования на человеке и различных животных показали, что ГСК стареют, показывая существенное снижение функциональной способности с увеличением возраста. Существуют генетические элементы, отмеченные на специфических участках хромосом, которые регулируют старение ГСК. Эти элементы могут отличаться друг от друга у различных видов, линий и даже индивидов Старение ГСК и связанные с ним патологические эффекты могут быть не очевидны в течение нормальной жизни при большинстве обстоятельств, поскольку индивидуальные примитвные ГСК клоны могут функционировать в течение длительного времени, продуцируя потомство, которое поддерживает образование зрелых клеток крови в течение жизни. Сокращение теломеров на концах хромосом может вносить вклад в старение ГСК, особенно когда ГСК находятся в стрессовом состоянии при определенных патологических условиях. Будущие исследования должны выявить элементы, которые важны для регуляции старения ГСК/4/.

Стволовые клетки в настоящее  время находится в центре дебатов  и дурной славы. Получение человеческих эмбриональных стволовых клеток, по крайней мере ныне существующими  методами, необходимым образом включает принесение в жертву эмбриона. Этот критический шаг в получении стволовых клеток стимулировал интенсивную дискуссию на всех уровнях академическом, правительственном и общества в целом. Какие социальные выгоды, если таковые имеются, оправдывают такую стратегию для получения этих стволовых клеток. У других видов из эмбриональных стволовых клеток были получены буквально все типы клеток взрослых органов. Эта способность открыла бесконечные клинические возможности для замещения тканей и органов путем трасплантации клеток, полученных из эмбриональных стволовых клеток. К счастью существует альтернатива для этической дилемы. Становится все более ясно, что стволовые клетки существуют во многих, если не во всех взрослых тканях.. Взрослые стволовые клетки в норме пополняют потерю тканевых клеток через износ и потерю от повреждения или болезни. При надлежащем ведении культуры при трансплантации эти стволовые клетки могут регенерировать полный набор органотипичных клеток и таким образом могут терапевтически регенерировать ткани in vivo таким же путем, как это делают эмбриональные стволовые клетки. По нескольким причинам наиболее изученными являются стволовые клетки кроветворной системы. Зрелые клетки крови имют обычно короткий период продолжительности жизни, обычно измеряемый днями, и поэтому требуют замещения с постоянной скоростью в течение всей жизни. Стволовые клетки участвуют в этом возобновлении, и из-за легкости доступа к костному мозгу были хорошо изучены. Во-вторых, трансплантация костного мозга после облучения или высоких доз химеотерапии при лечении рака стимулировала базовой биологии и терапевтичского применения клеток в течение 30 лет до того, как началось применение стволовых клеток в клинике. Идентификация и манипулирование генами, которые регулируют число гематопоэтических стволовых клеток, уровень репликации и способность к самообновлению могут иметь важные клинические преимущества. Снятие характеристик по крайней мере некоторых из этих клеток прольет свет на механизмы, важные для старения. Выдвигается гипотеза, что стволовые клетки аккумулируют клеточные повреждения в течение старения, которые уменьшают их потенциал развития и способность восстанавливать клетки крови, особенно после гематопоэтического стресса. С этой точки зрения нарушенная функция стволовых клеток в гематопоэтической и других самообновляемых тканях ограничивает продолжительность жизни животных и, возможно, человека/33/.