Wprowadzenie do starzenia się i regeneracji

Biolodzy zajmujący się starzeniem i regeneracją dążą do zrozumienia mechanizmów tych dwóch złożonych procesów, które są zaangażowane w utrzymanie homeostazy tkanek.

Starzenie się lub "starzenie się" wiąże się z pogorszeniem morfologii komórek i utratą funkcji w czasie, podczas gdy regeneracja odnosi się do wymiany starych lub uszkodzonych komórek. Tkanki w naszym ciele są utrzymywane w delikatnej równowadze między starzeniem się a regeneracją. Chociaż większość naszych tkanek ma ograniczoną żywotność, niektóre z nich mają zdolność do pełnej regeneracji po urazie.

W tym filmie pokrótce omówiono historię, podkreślając kluczowe odkrycia w tej dziedzinie, niektóre z ważnych pytań, które są obecnie badane, niektóre testy używane do odpowiedzi na te pytania oraz kilka konkretnych laboratoryjnych zastosowań tych koncepcji.

Zanim porozmawiamy o obecnie przeprowadzanych eksperymentach, przyjrzyjmy się niektórym z ważnych odkryć w historii badań nad starzeniem się i regeneracją.

Pierwsze obserwacje regeneracji tkanek miały miejsce około 350 roku p.n.e., kiedy Arystoteles zauważył, że jaszczurki były w stanie zregenerować swoje ogony po ich odcięciu.

W XVIII wieku regeneracja tkanek stała się gorącym tematem badań, a trzech naukowców - R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley i Lazzaro Spallanzani - niezależnie przeprowadziło szczegółowe badania nad regeneracją tkanek odpowiednio u raków, hydry i traszek.

Naukowcy głównego nurtu mniej interesowali się zjawiskiem regeneracji w ciągu następnego stulecia, ale na początku XX wieku zainteresowanie zaczęło rosnąć w pokrewnej dziedzinie starzenia się. Alexis Carrel, francuski chirurg i biolog, zasugerował, że komórki wyhodowane w kulturze są nieśmiertelne i mogą dzielić się w nieskończoność. Jednak inni naukowcy nie byli w stanie powtórzyć jego twierdzeń.

W 1961 roku Leonard Hayflick i Paul Moorhead wykazali, że w przeciwieństwie do tego, co twierdził Carrel, normalne komórki wyhodowane w hodowli przechodzą podział skończoną liczbę razy, około 40 do 60, po czym wchodzą w fazę starzenia. To zjawisko ograniczonego podziału komórek stało się znane jako "limit Hayflicka".

Pierwsze oznaki mechanizmu tego ograniczenia pojawiły się w 1973 roku, kiedy radziecki biolog Aleksiej Łownikow uznał, że maszyneria replikacji DNA nie jest w stanie w pełni odtworzyć końców chromosomów, zwanych telomerami. Przewidział istnienie mechanizmu pozwalającego na utrzymanie długości telomerów w komórkach zdrowych i nowotworowych.

Później, w 1984 roku, Elizabeth Blackburn, Carol Greider i Jack Szostak odkryli, że mechanizm ten obejmuje enzym zwany telomerazą. Wykazali, że telomeraza jest odpowiedzialna za dodawanie powtarzających się sekwencji do końca 3' chromosomu, co z kolei pozwoliłoby polimerazie DNA na pełną replikację końców chromosomów. Blackburn, Greider i Szostak podzielili się Nagrodą Nobla za to odkrycie w 2009 roku.

Teraz, gdy dokonaliśmy przeglądu niektórych odkryć związanych ze starzeniem się i regeneracją, przyjrzyjmy się kilku kluczowym pytaniom zadawanym dziś w tej dziedzinie.

Jednym z ważnych pytań, które są badane, jest: jak starzeją się komórki? Dominująca teoria starzenia się komórek nazywana jest teorią wolnych rodników. Chodzi o to, że gdy organelle komórkowe zwane mitochondriami przeprowadzają oddychanie oksydacyjne, powstają produkty uboczne znane jako reaktywne formy tlenu lub ROS. Nadprodukcja tych cząsteczek indukuje stres oksydacyjny, który zmienia funkcję organelli, takich jak same mitochondria i retikulum endoplazmatyczne, a także może powodować uszkodzenie jądrowego DNA. Naukowcy są zainteresowani odkryciem mechanizmów stojących za tymi zjawiskami.

Innym pytaniem, które się zadaje, jest: jakie są czynniki fizjologiczne i środowiskowe wpływające na długość życia organizmu? Niektórzy badacze starają się przeanalizować wpływ zmian środowiskowych, na przykład ograniczenia kalorii, na długość życia organizmu. Inni badacze są zainteresowani identyfikacją genów i szlaków biochemicznych, które regulują proces starzenia.

Wreszcie, naukowcy próbują również zrozumieć, w jaki sposób tkanki ulegają spontanicznej regeneracji po urazie. Stwierdzono, że specjalne komórki znane jako dorosłe komórki macierzyste odgrywają kluczową rolę w tym procesie, a niektórzy badacze są ciekawi dynamiki tych komórek po urazie. Z perspektywy klinicznej naukowcy są zainteresowani zbadaniem, w jaki sposób komórki te mogą być wykorzystane w terapiach chorób zwyrodnieniowych.

Teraz, gdy znasz już niektóre z pytań zadawanych w tej dziedzinie, przyjrzyjmy się różnym narzędziom badawczym, które naukowcy stosują, aby odpowiedzieć na te pytania.

Jednym ze sposobów pomiaru wieku komórek jest określenie długości telomerów i aktywności telomerazy. Oba te parametry można zmierzyć za pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy lub PCR.

Naukowcy badają również ustalone markery komórek starczych, takie jak β-galaktozydaza. Można to zrobić, barwiąc komórki za pomocą testów biochemicznych i obserwując je pod mikroskopem.

Do badania czynników wpływających na długość życia organizmu naukowcy często wykorzystują modelowe organizmy bezkręgowców, takie jak robaki czy muchy. Zaletą tych modelowych organizmów jest ich stosunkowo krótki czas generacji oraz możliwość hodowli w prostych warunkach laboratoryjnych. Ponadto manipulacje genetyczne mogą być łatwo przeprowadzane w tych organizmach, co pomaga naukowcom badać rolę genów w procesie starzenia się i długowieczności.

Wreszcie, rola dorosłych komórek macierzystych w regeneracji tkanek może być badana przy użyciu kilku podejść. Na przykład naukowcy mogą oznaczać dorosłe komórki macierzyste w tkance docelowej za pomocą określonych markerów, które umożliwiają im śledzenie tych komórek w miarę regeneracji tkanek. Czasami naukowcy bezpośrednio wstrzykują te multipotencjalne komórki macierzyste do uszkodzonej tkanki, aby zbadać ich rolę w naprawie po urazie.

Ponieważ znasz już niektóre z metod stosowanych w dziedzinie starzenia się i regeneracji tkanek, przyjrzyjmy się kilku konkretnym zastosowaniom tych metod.

Glista Caenorhabditis elegans została wykorzystana jako platforma przesiewowa do identyfikacji mutacji genów, które mogą przedłużyć życie. Tutaj, po synchronizacji wieku za pomocą protokołu składania jaj w czasie, naukowcy przeanalizowali wpływ mutacji genu na długość życia organizmu.

Aby zbadać mechanizmy regeneracji tkanek, dostępnych jest wiele modeli, które obejmują początkowy uraz, po którym następuje analiza mechanizmów regeneracyjnych. W tym przykładzie naukowcy zbadali regenerację tkanek po ablacji linii bocznej, kluczowego elementu czuciowego obwodowego układu nerwowego danio pręgowanego.

Aby wywołać ablację, naukowcy potraktowali ryby gentamycyną. Po wyznaczonym czasie rekonwalescencji ryby zostały wlane do fluorescencyjnego roztworu barwnika witalnego, który barwi nerwowe komórki macierzyste. Te wybarwione komórki zostały następnie oznaczone ilościowo za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej.

Wreszcie, naukowcy często wstrzykują dorosłe komórki macierzyste, aby wywołać naprawę uszkodzonej tkanki. W tym przypadku naukowcy wykorzystali multipotencjalne komórki macierzyste do wywołania regeneracji uszkodzonych tkanek mięśniowych. W tym celu naukowcy stworzyli modele myszy z uszkodzonymi mięśniami kończyn tylnych. Następnie multipotencjalne komórki macierzyste zostały wstrzyknięte bezpośrednio do uszkodzonych mięśni. Po wstrzyknięciu komórkom dano czas na proliferację i różnicowanie się, a także analizowano ich wkład w poprawę funkcjonalną.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do dziedziny starzenia się i regeneracji. W tym filmie omówiono historyczne wydarzenia w tej dziedzinie, niektóre kluczowe pytania zadawane przez biologów, kilka ważnych testów używanych do odpowiedzi na te pytania oraz obecne eksperymenty prowadzone w celu zrozumienia biologii starzenia się i regeneracji. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!