Давайте попытаемся ответить на вопрос, чем старые клетки отличаются от молодых. Наш организм состоит из огромного количества различных клеточных типов, которые выполняют специализированные функции. И все они берут начало от так называемых стволовых клеток. Стволовые клетки можно условно назвать вечно молодыми, ведь они способны практически неограниченно делиться. В отличие от них, дифференцированные клетки, которые уже обрели специализированные функции, не способны делиться бесконечно. И процесс, в ходе которого клетки теряют такую возможность, называется клеточным старением. Строго говоря, термин "клеточное старение" означает необратимую остановку клеточного цикла. Так чем же отличается состарившаяся клетка, которая потеряла возможность делиться, от молодой? В первую очередь они, как правило, отличаются морфологически, то есть это можно увидеть просто в микроскоп. Помимо этого, состарившиеся клетки резистентны к сигналам: митогенному сигналингу и к апоптозу. Кроме этого в состарившейся клетке экспрессируют определенные биомаркеры старения, как, например, Бета-галактозидазу, а также демонстрируют характерный фенотип — так называемый "ассоциированный со старением провоспалительный фенотип", который заключается в секреции состарившейся клетки цитокинов, хемокинов, факторов роста и металлопротеиназ. Кстати говоря, именно этот специфический секреторный фенотип является главной мишенью в ходе борьбы со старением организма. Помимо этого, в состарившихся клетках также наблюдаются другие различные нарушения, как то: нарушения в работе митохондрий, различные нарушения структуры ДНК, укорочение, разумеется, теломер и различные нарушения эпигенома. Важно отметить, что не все перечисленные нарушения могут встречаться в клетке одновременно, и конкретный паттерн нарушения зачастую определяется тем, какая причина вызвала клеточное старение. Какие же причины могут вызывать клеточное старение? В классическом эксперименте Леонарда Хейфлика было показано, что укорочение теломер может приводить к необратимой остановке клеточного цикла. Вместе с тем нужно понимать, что укорочение теломер может возникать не только в результате раундов репликации. Также к этому могут приводить различные патологические процессы, и это также будет вызывать клеточное старение. Вместе с тем, в принципе, укорочение теломер — это не единственная причина, по которой клетка может необратимо остановить свой клеточный цикл. И в данный момент нам важно понимать то, что клеточное старение — это, по сути, защитный механизм, который используется организмом для инактивации клеток, накопивших критические повреждения, и которые могут вызвать различные патологии впоследствии. Основным компонентом, который отвечает за остановку клеточного цикла, являются белки-супрессоры опухолей p53 и p16, и остановка конечного цикла может быть вызвана активацией онкогенов. Так, например, активация BRAF и Ras вызывают так называемое онкоген-индуцированное старение. Помимо него, клеточное старение может быть вызвано также дисфункцией митохондрий (окислительным стрессом), различными токсическими стрессами и различными критическими нарушениями структуры ДНК. Вместе с тем, клеточное старение затрагивает также и эпигеном. И в ходе клеточного старения наблюдаются различные нарушения взаимодействия хроматина с ядерной ламиной, изменение пространственной структуры ядра, наблюдается деконденсация конститутивных районов хроматина в районе центромер и передцентромерных районов. Также наблюдается формирование специфических гетерохроматиновых телец, которые называются "ассоциированные со старением домены гетерохроматина". Помимо этого, происходит перераспределение различных гистоновых модификаций — меняется представленность вариантов гистонов. А также происходит глобальное изменение паттерна метилирования ДНК. И сейчас мы расскажем чуть поподробнее о каждом из подобных нарушений. Ядерная ламина играет крайне важную роль в поддержании пространственной и функциональной структуры хроматина. Основные компоненты, которые формируют ее, это белки ламины класса A и B. И нарушения в их работе вызывают различные патологии, связанные с ускоренным старением. Так, например, мутация в гене ламин-A, которая приводит к продукции укороченной формы белка, является основной причиной развития синдрома Хатчинсона-Гилфорда (патологически раннее старение организма). Также на культурах клеток было показано, что в ходе клеточного старения снижается уровень белка ламин-B1. В норме с ламином B1 связаны районы гетерохроматина, которые относительно объединены генами и не экспрессируются. В то время как район активного хроматина располагается ближе к центру ядра и не связывается с ламиной. Снижение количества ламина B1 приводит к тому, что происходит масштабное перераспределение гетерохроматиновых районов, обогащенных меткой H3K9 триметилированные. Это, в свою очередь, приводит к формированию так называемых "ассоциированных со старением доменов гетерохроматина", а это специфические структуры, которые наблюдаются в состарившихся клетках, и они формируют, условно, тельца, которые содержат в своем составе метку гетерохроматиновую метку H3K9 триметилированную, компоненты гетерохроматина, как, например, белки HP1, также гистонные модификации H4K20 триметилированные, ядерные белки и гистон macroH2A. На периферии такой структуры наблюдается метка факультативного гетерохроматина H3K27 триметилированная. И, что важно, такие структуры ограничивают и содержат в своем составе гены, которые связаны с пролиферацией. То есть, таким образом происходит инактивации генов, которые вызывают пролиферацию клеток. Важно отметить, что такие структуры наблюдаются не во всех типах клеточного старения. И, как правило, это характерная черта онкоген-индуцированного старения. Это встречается также в репликативном старении, но чуть в меньшем числе случаев. Вместе с тем, существуют специфические изменения хроматина, которые встречаются во всех типах клеточного старения — это так называемая деконденсация центромеров и передцентромерных районов. Такая деконденсация приводит к активации повторенных последовательностей, располагающихся в центромерах, и также ретротранспозонов, что в конечном итоге приводит к дестабилизации генома. И такая дестабилизация связана с изменением паттерна метилирования ДНК. Как я уже говорил, в ходе старения паттерн метилирования ДНК значительно изменяется, и происходит гипометилирование. Гипометилирование наблюдается как раз таки в районах конститутивного гетерохроматина — тех самых центромерах и передцентромерных районах, что приводит в конечном итоге к дестабилизации генома, а гиперметилирование наблюдается в районах, ассоциированных с генами. И, как мы помним, гиперметилирование вызывает, в основном, генную репрессию. Интересно отметить, что такое гиперметилирование затрагивает гены, которые связаны с подавлением клеточного цикла, остановкой клеточного цикла, и супрессоры опухолей. То есть, таким образом гиперметилирование, наблюдаемое в ходе старения, делает клетки подверженными к различным злокачественным трансформациям. В ходе клеточного старения также наблюдаются различные изменения, которые затрагивают распределение гистоновых модификаций, характерных для активного и неактивного хроматина. Не вдаваясь мелкие подробности, можно сказать, что в целом снижается представленность репрессивных гистоновых модификаций и повышается представленность активных гистоновых модификаций. Это приводит к активации генов, ассоциированных с развитием провоспалительного секреторного фенотипа и, собственно говоря, обретению клетками специфических характеристик, характерных для состарившихся клеток. Таким образом, в ходе клеточного старения наблюдается драматичное изменение эпигенома, что приводит к активации биомаркеров старения и обретению специфических характеристик состарившихся клеток. Каким образом это влияет на старение организма в целом и каким образом это может быть модифицировано, мы с вами рассмотрим в следующих лекциях.
