Предел Хейфлика
Предел Хейфлика , или феномен Хейфлика , — это количество раз, которое нормальная соматическая , дифференцированная популяция клеток человека будет делиться, прежде чем деление клеток прекратится. [1] [2] Однако это ограничение не распространяется на стволовые клетки . [ нужна ссылка ]
Концепция предела Хейфлика была выдвинута американским анатомом Леонардом Хейфликом в 1961 году. [3] в Институте Вистар в Филадельфии , штат Пенсильвания. Хейфлик продемонстрировал, что нормальная клеток человека популяция эмбриональных делится в культуре клеток от 40 до 60 раз, прежде чем вступить в фазу старения . Это открытие опровергло утверждение Алексиса Каррела о том, что нормальные клетки бессмертны .
Хейфлик интерпретировал свое открытие как старение на клеточном уровне. Старение клеточных популяций, по-видимому, коррелирует с общим физическим старением организма. [3] [4]
Макфарлейн Бернет придумал название «предел Хейфлика» в своей книге «Внутренний мутагенез: генетический подход к старению », опубликованной в 1974 году. [5]
История
[ редактировать ]Вера в бессмертие клеток
[ редактировать ]До открытия Леонарда Хейфлика считалось, что клетки позвоночных обладают неограниченным потенциалом к репликации. Алексис Каррел , хирург, лауреат Нобелевской премии , заявил, что «все клетки, эксплантированные в тканевую культуру, бессмертны, и что отсутствие непрерывной репликации клеток произошло из-за незнания того, как лучше всего культивировать клетки». [5] Он утверждал, что культивировал фибробласты из сердец кур (которые обычно живут от 5 до 10 лет) и поддерживал рост культуры в течение 34 лет. [6]
Однако другие учёные не смогли повторить результаты Каррела. [5] и предполагается, что они возникли из-за ошибки в экспериментальной процедуре. Чтобы обеспечить необходимые питательные вещества, эмбриональные стволовые клетки кур могли ежедневно повторно добавляться в культуру. Это легко позволило бы культивировать в культуре новые, свежие клетки, так что не было бы бесконечного воспроизводства исходных клеток. [3] Было предположение, что Каррел знал об этой ошибке, но никогда в ней не признавался. [7] [8]
Также было высказано предположение [ кем? ] что клетки, которые использовал Каррел, были достаточно молодыми, чтобы содержать плюрипотентные стволовые клетки , которые, если бы они были снабжены поддерживающим питательным веществом для активации теломеразы , были бы способны предотвратить репликативное старение или даже, возможно, обратить его вспять. Культуры, не содержащие теломеразно-активные плюрипотентные стволовые клетки, были бы заселены теломеразно-неактивными клетками, на которые действовал бы предел митоза 50 ± 10 до тех пор, пока не наступит клеточное старение, как описано в открытиях Хейфлика. [4]
Эксперимент и открытие
[ редактировать ]Хейфлик впервые с подозрением отнесся к заявлениям Каррела, когда работал в лаборатории Института Вистар. Хейфлик заметил, что одна из его культур эмбриональных фибробластов человека приобрела необычный внешний вид и что деление клеток замедлилось. Первоначально он отмахнулся от этого как от аномалии, вызванной загрязнением или технической ошибкой. Однако позже он наблюдал аналогичные проявления и в других клеточных культурах. Хейфлик проверил свой исследовательский блокнот и с удивлением обнаружил, что все атипичные клеточные культуры были культивированы примерно до 40-кратного удвоения, в то время как более молодые культуры никогда не проявляли таких проблем. Более того, условия в более молодых и старых культурах, которые он наблюдал, были одинаковыми — одна и та же питательная среда, культуральные контейнеры и техник. Это заставило его усомниться в том, что проявления были вызваны загрязнением или технической ошибкой. [9]
Затем Хейфлик решил доказать, что наблюдаемое им прекращение нормальной репликационной способности клеток не было результатом вирусного заражения, плохих условий культивирования или какого-то неизвестного артефакта. Хейфлик объединился с Полом Мурхедом для проведения окончательного эксперимента, направленного на устранение этих причинных факторов. Будучи опытным цитогенетиком , Мурхед смог различать мужские и женские клетки в культуре. Эксперимент проходил следующим образом: Хейфлик смешал равное количество нормальных мужских фибробластов человека, которые делились много раз (клетки при удвоении 40-й популяции), с женскими фибробластами, которые делились меньше раз (клетки при удвоении 15-й популяции). Несмешанные популяции клеток сохраняли в качестве контроля. После 20 удвоений смешанной культуры остались только женские клетки. Деление клеток в несмешанных контрольных культурах прекращалось в ожидаемое время; когда мужская контрольная культура перестала делиться, в смешанной культуре остались только женские клетки. Это наводит на мысль, что технические ошибки или загрязнение вирусы были маловероятным объяснением того, почему клеточное деление прекращается в более старых клетках, и доказали, что, если вирус или артефакт не мог различать мужские и женские клетки (чего он не мог), тогда прекращение нормальной репликации клеток определялось внутренним механизмом подсчета. . [3] [5] [9]
Эти результаты опровергли утверждения Каррела о бессмертии и установили предел Хейфлика как заслуживающую доверия биологическую теорию. В отличие от эксперимента Каррела, эксперимент Хейфлика был успешно повторен другими учеными.
Клеточные фазы
[ редактировать ]Хейфлик описывает три фазы в жизни нормальных культивируемых клеток. В начале своего эксперимента он назвал первичную культуру «первой фазой». Вторая фаза определяется как период пролиферации клеток; Хейфлик назвал это временем «буйного роста». После нескольких месяцев удвоения клетки в конечном итоге достигают третьей фазы — феномена, который он назвал « старением », когда скорость репликации клеток замедляется, а затем полностью прекращается. [ нужна ссылка ]
Длина теломер
[ редактировать ]
Было обнаружено, что предел Хейфлика коррелирует с длиной теломерной области на концах хромосом. В процессе репликации ДНК хромосомы небольшие сегменты ДНК внутри каждой теломеры не могут копироваться и теряются. [10] Это происходит из-за неравномерного характера репликации ДНК, когда ведущие и отстающие цепи реплицируются несимметрично. [11] Теломерная область ДНК не кодирует какой-либо белок; это просто повторяющийся код на концевой области линейных эукариотических хромосом. После многих делений теломеры достигают критической длины и клетка стареет. Именно в этот момент клетка достигает предела Хейфлика. [12] [13]
Хейфлик был первым, кто сообщил, что бессмертны только раковые клетки. Это невозможно было продемонстрировать, пока он не продемонстрировал, что нормальные клетки смертны. [3] [4] Клеточное старение не происходит в большинстве раковых клеток за экспрессии фермента теломеразы из - . Этот фермент удлиняет теломеры, предотвращая укорочение теломер раковых клеток и наделяя их бесконечным репликативным потенциалом. [14] Предлагаемое лечение рака заключается в использовании ингибиторов теломеразы , которые предотвращают восстановление теломер, позволяя клетке умирать, как и другие клетки организма. [15]
Старение организма
[ редактировать ]Хейфлик предположил, что его результаты, согласно которым нормальные клетки имеют ограниченную репликационную способность, могут иметь значение для понимания старения человека на клеточном уровне. [4]
Сообщалось, что ограниченная репликационная способность фибробластов человека , наблюдаемая в культуре клеток, намного превышает количество событий репликации, которые испытывают нестволовые клетки in vivo в течение нормальной постнатальной продолжительности жизни. [16] Кроме того, было высказано предположение, что не существует обратной корреляции между репликативной способностью нормальных штаммов клеток человека и возрастом человека-донора, от которого были получены клетки, как утверждалось ранее. Теперь ясно, что по крайней мере некоторые из этих переменных результатов можно объяснить мозаицизмом числа репликаций клеток в разных участках тела, откуда были взяты клетки. [16]
Сравнение различных видов показывает, что репликационная способность клеток может коррелировать в первую очередь с массой тела вида, но, скорее всего, с продолжительностью жизни вида. [ нужны разъяснения ] Таким образом, ограниченная способность клеток к репликации в культуре может иметь прямое отношение к старению организма. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Родригес-Бренес, Игнасио А.; Водарз, Доминик; Комарова Наталья Львовна (9 декабря 2015 г.). «Количественная оценка репликативного старения как пути супрессора опухоли и мишени для терапии рака» . Научные отчеты . 5 : 17660. Бибкод : 2015NatSR...517660R . дои : 10.1038/srep17660 . ПМЦ 4673423 . ПМИД 26647820 .
- ^ Петерсен, Томас; Никласон, Лаура (сентябрь 2007 г.). «Клеточная продолжительность жизни и регенеративная медицина» . Биоматериалы . 28 (26): 3751–3756. doi : 10.1016/j.bimaterials.2007.05.012 . ПМК 2706083 . ПМИД 17574669 .
- ^ Jump up to: а б с д и Хейфлик Л., Мурхед П.С. (1961). «Серийное культивирование штаммов диплоидных клеток человека». Exp Cell Res . 25 (3): 585–621. дои : 10.1016/0014-4827(61)90192-6 . ПМИД 13905658 .
- ^ Jump up to: а б с д Хейфлик Л. (1965). «Ограниченное время жизни диплоидных клеточных штаммов человека in vitro». Эксп. Сотовый Res . 37 (3): 614–636. дои : 10.1016/0014-4827(65)90211-9 . ПМИД 14315085 .
- ^ Jump up to: а б с д Шей, JW; Райт, МЫ (октябрь 2000 г.). «Хейфлик, его предел и старение клеток». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 1 (1): 72–6. дои : 10.1038/35036093 . ПМИД 11413492 . S2CID 6821048 .
- ^ Каррел А., Эбелинг А.Х. (1921). «Возраст и размножение фибробластов» . Дж. Эксп. Мед . 34 (6): 599–606. дои : 10.1084/jem.34.6.599 . ПМК 2128071 . ПМИД 19868581 .
- ^ Витковский Ю.А. (1985). «Миф о клеточном бессмертии». Тенденции биохимии. Наука . 10 (7): 258–260. дои : 10.1016/0968-0004(85)90076-3 .
- ^ Витковский Ю.А. (1980). «Бессмертные клетки доктора Каррела» . Мед. Хист . 24 (2): 129–142. дои : 10.1017/S0025727300040126 . ПМК 1082700 . ПМИД 6990125 .
- ^ Jump up to: а б Хейфлик, Л. (19 мая 2016 г.). «В отличие от старения, долголетие определяется сексуальностью». В Бенгтсоне, Вирджиния; Сеттерстен, Р.А. (ред.). Справочник по теориям старения (Третье изд.). Издательская компания Спрингер. стр. 31–52. ISBN 9780826129420 .
- ^ Уотсон Джей Ди (1972). «Происхождение конкатемерной ДНК Т7». Новая биология природы . 239 (94): 197–201. дои : 10.1038/newbio239197a0 . ПМИД 4507727 .
- ^ Руссо, Филипп; Отексье, Шанталь (октябрь 2015 г.). «Биология теломер: обоснование диагностики и терапии рака» . Биология РНК . 12 (10): 1078–1082. дои : 10.1080/15476286.2015.1081329 . ПМЦ 4829327 . ПМИД 26291128 .
- ^ Оловников А.М. (1996). «Теломеры, теломераза и старение: происхождение теории». Эксп. Геронтол . 31 (4): 443–448. дои : 10.1016/0531-5565(96)00005-8 . ПМИД 9415101 . S2CID 26381790 .
- ^ Olovnikov, A. M. (1971). "Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов" [Principles of marginotomy in template synthesis of polynucleotides]. Doklady Akademii Nauk SSSR . 201 (6): 1496–1499. PMID 5158754 .
- ^ Фэн Ф; и др. (1995). «РНК-компонент теломеразы человека». Наука . 269 (5228): 1236–1241. Бибкод : 1995Sci...269.1236F . дои : 10.1126/science.7544491 . ПМИД 7544491 . S2CID 9440710 .
- ^ Райт М.Е., Шей Дж.В. (2000). «Динамика теломер в прогрессировании и профилактике рака: фундаментальные различия в биологии теломер человека и мыши». Природная медицина . 6 (8): 849–851. дои : 10.1038/78592 . ПМИД 10932210 . S2CID 20339035 .
- ^ Jump up to: а б Кристофало В.Дж., Аллен Р.Г., Пиньоло Р.Дж., Мартин Б.Г., Бек Дж.К. (1998). «Связь между возрастом донора и репликативной продолжительностью жизни клеток человека в культуре: переоценка» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 95 (18): 10614–9. Бибкод : 1998PNAS...9510614C . дои : 10.1073/pnas.95.18.10614 . ПМК 27943 . ПМИД 9724752 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Уоттс, Джефф (2011). «Леонард Хейфлик и пределы старения». Ланцет . 377 (9783): 2075. doi : 10.1016/S0140-6736(11)60908-2 . ПМИД 21684371 . S2CID 205963134 .
- Харли, Кэлвин Б.; Футчер, А. Брюс; Грейдер, Кэрол В. (1990). «Теломеры укорачиваются при старении фибробластов человека». Природа . 345 (6274): 458–60. Бибкод : 1990Natur.345..458H . дои : 10.1038/345458a0 . ПМИД 2342578 . S2CID 1145492 .
- Гаврилов Л.А., Гаврилова Н.С. (1991). Биология продолжительности жизни: количественный подход . Нью-Йорк : Академическое издательство Харвуда. ISBN 3-7186-4983-7 .
- Гаврилов Л.А., Гаврилова Н.С. (1993). «Сколько клеточных делений в «старых» клетках?». Межд. Дж. Гериатр. Психиатрия . 8 (6): 528.
- Ван, Ричард С.; Смогожевска, Агата ; Де Ланге, Титиа (2004). «Гомологичная рекомбинация приводит к образованию делеций размером с Т-петлю в теломерах человека» . Клетка . 119 (3): 355–68. дои : 10.1016/j.cell.2004.10.011 . ПМИД 15507207 . S2CID 10686288 .
- Уотсон, Дж. М.; Шиппен, Делавэр (2006). «Быстрая делеция теломер регулирует длину теломер у Arabidopsis thaliana» . Молекулярная и клеточная биология . 27 (5): 1706–15. дои : 10.1128/MCB.02059-06 . ПМК 1820464 . ПМИД 17189431 .