Цитоплазматическиe факторы и процессы дифференциации и старения клеток

Смерть можно делить на: а) гибель от внешних факторов б) смерть от старения. Любые реально существующие организмы подвержены гибели от внешних факторов. Cмерть от старости - достаточно редкое явление в природе и она возможна лишь для многоклеточных животных. Только у многоклеточных организмов наблюдается смерть от старости не только целого организма, но и смерть от старости соматической клетки. Процесс старения приводит к смерти в определенном возрасте, если организм не погибает раньше от болезни или хищников. Соматические клетки животных определенного возраста, пересаженные в питательную среду, претерпевают строго определенное количество делений. Причем чем старше организм, тем меньше количество делений (в пределах одного порядка). То есть для соматических клеток многоклеточных животных, существует четкий верхний предел количества клеточных делений. Старение и смерть запрограммированы. Субстратом, на котором записывается данная информация, большинство ученых до сих пор предполагает ДНК. Однако никаких достоверных фактов на этот счет не существует. Структуры типа эукариотов обнаружены в отложениях давностью 1,5 млрд лет. За этот немалый срок не появилось ни одного бессмертного многоклеточного организма. Учитывая то количество видов, появившихся и исчезнувших, родившихся и умерших за этот срок, а также темпы мутационных процессов, у нас возник соблазн предположить,что возрастные изменения, старение и смерть закодированы не нуклеиновыми кислотами. ДНК не содержит информации о времени наступления смерти и очередности возрастных состояний организма. Следовательно, ни в ядре, ни в митохондриях, обладающих способной к мутациям ДНК, не содержатся данные подобного рода.

Несомненно, что структура, являющаяся носителем информации в биологической клетке, должна быть способна к самовоспроизведению. В соматических клетках многоклеточных животных таких органоидов три: хромосомы, митохондрии (обе содержат ДНК) и центросома (центриоли). Исходя из вышесказанного нам (Д.Ткемаладзе) оставалось предположить, что структура, определяющая четкое и безукоснительное гистологическое распределение всех соматических клеток, наступление возрастных изменений и смерти от старости, является центриоль.

Далее мы предпологаем, что существует некий «нулевой» и «конечный» гистологический статус клетки. «Нулевой» гистологический статус подразумевает тотипотентность, потенциальную возможность дифференциироваться в любую ткань. По нашему мнению «нулевой» статус тождественнен прелептотенной стадии оогония. Косвенным подтверждением этого является отсутствие центриолей в стадии прелептотенной конденсации хромосом [17]. То есть внутриклеточные «гистологические часы» как бы заводятся, приходят в исходное состояние. «Конечный» гистологический статус определяет максимально возможное количество делений всех соматических клеток, начиная с зиготы. Достигнув «конечного» гистологического статуса, клетка умирает. У неделящихся, но активно функционирующих клеток (типа нейронов), по нашему мнению активность центриолей подавлена механизмами организменного уровня( клеточное окружение и т.д.). Их центриоли не достигли пока «конечного» статуса (это подтверждается тем, что в культуре нейроны могут делится). Данный статус по нашему мнению должен быть видоспецифичным. У разных видов многоклеточных животных смерть от старения наступает в разное время.

Необходимо заметить, что без митотического деления соматической клетки, то есть без активности центриолей дифференциация невозможна. Однако не всякое деление приводит к дифференциации клетки. Существует возможность увеличения количества клеток без изменения гистологического статуса, что тоже находится по, нашему мнению, находится под контролем центриолей. Более того, смерть от старости, наряду с дифференциацией, связана именно с центриолями и эта связь реализуется через счет делений клеток, начиная с нулевого статуса. В общем виде это можно представить себе так: ровно через определенное количество делений клетка должна дифференциироватся в ту или иную гистологическую единицу, а через опять же определнное количество делений она должна умереть от старости («лимит Хейфлика») - это уже «конечный» гистологический статус. Все это и регулируется центриолями.

Установлено, что гибель культуры фибробластов вызвана у многоклеточных животных выходом клеток из митотического цикла, причем этот процесс скорее всего аналогичен процессу дифференциировки.Естественный выход клетки из митотического цикла сопровождается существенными изменениями в метаболизме, что приводит к изменениям,которые ошибочно называют дегенеративными и приводят как доказательство гипотез накопления нарушений. Однако показано, что многие (если не все) так называемые дегенеративные изменения можно получить и в репликативно молодой культуре, подавив на длительный срок клеточное деление [12]. Все эти дегенеративные изменения бесследно исчезают исчезают после нескольких удвоений популяции.Концепции накопления повреждений противоречит и тот факт, что репликативное старение - не универсально распространенный процесс. Этот факт приводит нас к абсурдному выводу, что накопление нарушений является «привилегией» нормальных соматических клеток и то не всех [18] , в то время как трансформированные клетки [19,14] и некоторые простейшие организмы [5] не «стареют», а следовательно, в них почему-то не происходит накопления нарушений.Репликативное старение может быть вызвано переключением клеточного метаболизма в режим, не совместимый с делением, то есть может быть вызвано дифференциировкой клеток [15,21]. Гипотеза переключения предсказывает, что гибридная клетка, образованная из пострепликативной и трансформированной zклеток, должна быть способна к делению [16,10]. Действительно, гибрид пострепликационных фибробластов человека с гетероплоидными клетками золотистого хомячка оказался способным совершить более 100 клеточных генераций [15].Авторы работы приходят к выводу, что старение культуры - это переход в квазидифференциированное состояние, подверженное генетическому перепрограмированию. Ядра пострепликационных фибробластов человека начинали синтезировать ДНК после гибридизации с клетками HeLa или с человеческими фибробластами, трансформированным вирусом SV - 40 [24], но не с нормальными фибробластами человека [25]. При репликативном старении изменяется спектр ядерных белков, что приводит к изменению структуры хроматина [13,22,28]. Имеются данные предполагать, что счет делений происходит не только в культуре клеток, но и в организме.В частности, с увеличением возраста донора на один год продолжительность жизни культуры фибробластов человека уменьщается на один 0,15 - 0,33 кажущихся [26,27,30] или на 0,2 - 1,3 истинных удвоений популяций (с учетом потери 25-75% клеток при пересеве). Данная гипотеза переключения хорошо согласуется с нашей гипотезой счета делений, происходящим при репликативном старении.

Согласно нашей гипотезе: старение, смерть от старения и гистологический статус клетки связаны с центриолями. Логично было бы предположить, что отсутствие данной структуры у клетки делает ее «бессмертной» и тотипотентной, т.е из любой клетки организма может репродуциироваться цельный организм. Такими свойствами, как известно, обладают высшие растения [6]. И у них как раз и отсутсвует центриоль [8].

Некоторые одноклеточные организмы, имеющие центриоли, ведут себя иначе, чем должно вытекать из нашей теории (при отсутсвии центриолей они бессмертны и не дифферинцируются). Однако это лишь на первый взгляд: по нашему глубокому убеждению проблема многоклеточности, отличие многоклеточных от одноклеточных сводится к тому, что у многоклеточных организмов центриоли (в отличие от одноклеточных) приобретают функцию определения гистологического статуса.

«Бессмертие» раковых и трансформированных клеток, можно объяснить следующими фактами: в норме четко структурированный цитоскелет соматической клетки у раковых и трансформированных клеток представлен аморфной массой дезинтегрированных микротрубочек. В частности, значительно редуцированы или полностью отсутствуют актиновые пучки, уменьшена протяженность активного края и площадь ламеллоплазмы активных микрофиламентов, нарушен эндоплазматический пласт микрофиламентов [4]. Различные же структуры цитоскелета тесно взаимодействуют, нарушения таких взаимодействий существенно сказывается на организации этих систем [7]. Центриоль занимает важнейшее место в центре организации микротрубочек (ЦОМТ) соматических клеток, который и создаёт цитоскелет клетки [8]. У раковых и трансформированных клеток - имеющих структурно и функционально дезинтегрированную, возможно трансформированную, систему цитоскелета и ЦОМТ - должны наблюдаться характерные изменения также и в структуре центриолей. Что по нашему мнению и должно определять «бессмертие» этих клеток.

«Бессмертие» и тотипотентность половых клеток многоклеточных животных по нашему мнению либо связано с отсутствием центриолей вообще (например в случае крыс и мышей) [29], либо с их нулевым гистологическим статусом (тождественному прелептотенной стадии оогония). По нашему мнению деление гамет не изменяет их гистологического статуса.

Наша гипотеза об экстрахромосомной локализации субстрата регуляции процессов дифференциации и старения выгодно смотрится в свете последних экспериментов по клонированию, в особенности экспериментов Уилмута. Данные этих экспериментов противоречат теории, согласно которой «факторы старости» локализованы в ядре. Если «лимит Хейфлика» определяется ядерной ДНК [9], то неясно каким образом возможно из ДНК донорской клетки, например, молочной железы овцы 8 лет получить жизнеспособную особь [1]. Значит именно цитоплазматические факторы и структуры инициируют развитие нового организма. По нашему мнению таким «цитоплазматическим фактором» и является центриоль.

Результаты экспериментов по клонированию противоречат опытам Хейфлика, в которых было показано, что гибридные клетки, полученные из цитоплазмы пострепликативных клеток и ядер делящихся клеток, способны совершать столько же удвоений, сколько и контрольные репликативно молодые культуры [31]. По мнению Хейфлика это свидетельствует в пользу того, что «память» о числе делений локализована в ядре. Однако сам факт клонирования(эксперименты Уилмута) делает предположение Хейфлика абсурдным,заставляет искать субстрат гистологического статуса, счета делений, «лимита Хейфлика» вне ядра.

Создалась как бы патовая ситуация. По нашему мнению просто необходим детальный анализ экспериментов Хейфлика и постановка новых, но уже с учетом данных, полученных после, другими исследователями. В экспериментах Хейфлика и других учёных энуклеация достигалась с помощью цитохалазина В, либо хирургически, либо разрушением ядра ультрафиолетовыми лучами [6]. Как мы полагаем, при этом очень часто должна была удалятся и часть цитоплазмы. При использовании цитохолазина В значительная часть полученных цитопластов (лишенных ядра клеток) демонстрируют отсутствие центриолей или одной из них [2]. При пересадке в такие цитопласты ядер из других клеток, могут заносится вместе с ядром и центриоли (поскольку здесь используется хирургический метод извлечения ядра из клетки). Поскольку центриоль механически довольно прочно связана с ядром [2]. Реально существует вероятность того , что она останется в кариопластах, а не уйдет в цитопласты [3]. Если центриоль «путешествует» вместе с ядром, то исследователи, настаивающие на ДНК-запрограмированном механизме репликативного старения, просто упускают из вида роль центриолей. Тем более, что недавно было экспериментально показано, что клетки, лишенные хромосом, могут полноценно довести цитокинез до конца, разделиться на две безъядерные клетки [20,32]. То есть процесс деления не требует наличия хромосом.

В свете этих эмпирических данных мы полагаем, что авторы появившейся недавно в Science статьи, предложив субстратом клеточной дифференциации и бессмертия теломеразу [11], мягко говоря, ошибаются. Теломераза, достраивающая теломеразный конец хромосом в некоторых типах клеток, не может являтся первичным фактором, определяющим гистологический статус или «бессмертие» содержащих теломеразу клеток.