Иммортализация: непрекращающееся деление клеток | ПРЕЦИЗИОННАЯ ОНКОЛОГИЯ

2. Иммортализация: непрекращающееся деление клеток

Все организмы имеют определенный размер и форму, и на тканевом, и на клеточном уровне. Почти все типы клеток млекопитающих несут встроенную цепь, которая контролирует частоту их клеточного деления. Этот контроль является витальным для поддержания целостности клетки и ткани. Если клетки продолжают делиться неуправляемо без какого-нибудь внутреннего контроля, ткани могут потенциально достигать огромных размеров с летальным исходом для организма. Например, у людей потенциально могут быть большое сердце, увеличенные легкие или печень.

Раковые клетки обычно определяются их способностью делиться неуправляемо. Для клона клеток, чтобы достигнуть размера потенциально фатальной опухоли, необходимо разрушение наследственной клеточной цепочки (circuitry), контролирующей клеточный прирост. Давно известно, что у нормальных клеток млекопитающих, которые растут в чашках Петри, имеется конечное количество клеточных делений. Например, можно взять взрослые фибробластные клетки, культивировать их в чашке Петри in vitro и, когда клетки достигают края чашки Петри, они прекращают умножаться. Когда небольшая часть этих клеток переноситься в другую чашку Петри, они вновь начинают делиться и так далее, — процесс, названный пассированием. Однако, после определенного числа переносов, частота клеточного деления замедляется и, в конечном счете, останавливается (Рис. 2.1).

 

[members_only]

enindex8

Рисунок 2.1. Способность к клеточному делению. В культуре, нормальные клетки подвергаются конечному числу делений прежде, чем они полностью прекратят делиться (старение).  У раковых клеток имеется потенциал к бесконечному количеству клеточных делений.  Изображение показывает нормальные клетки, которые растут в чашке Петри.

Leonard Hayflick первым продемонстрирол, что у клеток от грызунов или человеческих эмбрионов имеется конечное число клеточных делений (репликационный потенциал), и он назвал это старением. Стареющие клетки жизнеспособны, но теряют способность к клеточному обороту и клеточному делению. В чашках Петри эти клетки будут потреблять питательные вещества и расти (часто выглядят похоже на яичницу — глазунью, поскольку ядро и цитоплазма вырастают в размере), но не будут делиться. Как правило, большинство нормальных типов клеток человека имеет способность для 60-70 удвоений.

В полном контрасте к нормальным клеткам, культивируемые раковые клетки обладают способностью резко превышать период нормальных удоений до почти неопределенного уровня (Рис. 2.1). Необычный пример этого — клетки HeLa. Первоначально культивируемые из цервикальной аденокарциномы от больного раком по имени Henrietta Lacks в 1951, эти клетки продолжают расти и пролиферировать в сотнях лабораторий во всем мире по сей день. Это ясно предполагает, что эти раковые клетки обошли/разрушили регуляторы старения внутри клетки и приобрели способность неограниченного деления (репликационный потенциал).

За прошедшие 30 лет был открыт клеточный механизм, контролирующий старение. Мы теперь знаем, что детектор, который контролирует предел клеточного деления, находится на конце всех человеческих хромосом — это теломеры. Теломеры — гексануклеотидные последовательности ДНК (короткие повторы 6 пар азотистых оснований), и каждый конец линейной хромосомы содержит тысячи копий этих повторов.   Например, у людей повторяющаяся последовательность — TTAGGG. Эти последовательности считаются «отходами», то есть они не кодируют ни какие протеины. Однако, они играют витальную роль в защите хромосом. Они действуют путем предотвращения соединения концов хромосом по типу конец-в-конец и также защищают ДНК от деградации нуклеазами. Теломеры походят на «аглеты», которые защищают концы шнурков от изнашивания.

Важность теломер в клеточном делении определена уникальной проблемой ДНК репликация, названной ‘проблемой репликации конца’ (РИС. 2.2). Во время клеточного деления, ДНК реплицируется во время S фазы клеточного цикла, создающего удвоенное количество хромосом. Каждый набор затем делится между каждой дочерней клеткой во время митоза. Однако, после каждого круга ДНК репликации, короткая последовательность (50-100 пар азотистых оснований) теломеры теряется с концов каждой хромосомы. Это прогрессивное укорочение является следствием неспособности фермента, ответственного за синтез ДНК, ДНК полимеразы, копировать эти 50-100 пар азотистых оснований на конце одной цепочки ДНК (3’ конец). В результате каждый круг ДНК репликации результирует в деградацию этих последовательностей и все более короткие хромосомы. Так как у каждой хромосомы есть конечное количество этих теломерных повторов, последовательные циклы репликации результируют в устойчивую эрозию теломер, пока они не вызывут генетические изменения, хромосомные слияния конец-в-конец и перестройку, и в конечном счете клеточную смерть. Таким образом, у каждой нормальной клетки есть конечная продолжительность жизни, продиктованная длиной ее теломер.

enindex9

Рис. 2.2. Теломеры — наконечники хромосом. Теломеры представляют повторяющиеся ДНК последовательности, которые защищают линейный конец хромосом. После каждого цикла клеточного деления, длина теломер прогрессивно укорачивается, пока она не побуждает клетку прекратить делиться и вступить в старение. Раковые клетки предотвращают сокращение теломер, продуцируя фермент, теломеразу, которая продолжает наращивать теломеры, таким образом предотвращая старение клетки.

Раковые клетки с другой стороны, поддерживают длину своих теломер без какой-либо утраты пар азотистых оснований ДНК. Мы теперь знаем, что главная стратегия, используемая раковыми клетками для поддержания длины теломер, увеличивая экспрессию фермента, названного теломеразой. Почти 85-90% всех раковых образований имеют активную теломеразу.

Теломеразы добавляют гексануклеотидные повторы на концы теломерной ДНК, таким образом поддерживая заданные длины выше критического порога, предотвращая эрозию и позволяя неограниченную репликационную способность. В отличие от раковых клеток, в активно делящихся нормальных клетках уровни теломеразы которые чрезвычайно низки или невыявлены. Если теломераза инъецируется в эти клетки in vitro, они трансформированы в клетки, которые продолжают делиться неограниченно. Дополнительное свидетельство для важности теломераз в поддержании теломер прибывает из опухолей, которые распространились в отдаленным области организма (метастазы), которые также показывают высокие уровни экспрессии и активности теломеразы.

Другая интересная черта теломераз состоит в том, что они высоко экспрессируются в герминативных клетках (сперма и яйцеклетки) и эмбриональных стволовых клетках (ЭС клетках), но постепенно уменьшаются в процессе развития во взрослых соматических клетках. Раковые стволовые клетки поэтому могут произходить из нормальных стволовых клеток, прогениторных клеток, или возможно соматических клеток и могут быть бессмертными, имея способность неопределенного самообновления и пролиферации.

Упомянутое выше свидетельство предполагает, что старение вероятно представляет защитный механизм, используемый клетками для вступления в фазу покоя (G0), таким образом избегая стрессорных состояний и приостанавливая пролиферацию. Опухоли обходят пути старения активируя теломеразы для гарантии их пролиферацию. Поэтому терапевтические стратегии, направленные на ингибирование теломеразах, предпочтительно убивают опухолевые клетки и не оказывают токсического действия на нормальные клетки. Однако, еще обсуждается факт, что старение — артефакт условий клеточного культивирования, а не истинное представление фенотипа в организме (in vivo). Разрешение этих дебатов будет полезно для понимания, как связаны между собой репликационный потенциал и прогрессия опухоли.

[/members_only]

0