2.13: Введение в старение и регенерацию

Биологи в области старения и регенерации стремятся понять механизмы этих двух сложных процессов, которые участвуют в поддержании тканевого гомеостаза.

Старение, или «старение», включает в себя ухудшение морфологии клеток и потерю функций с течением времени, в то время как регенерация относится к замене старых или поврежденных клеток. Ткани нашего тела поддерживаются в хрупком равновесии между старением и регенерацией. Хотя большинство наших тканей имеют ограниченный срок службы, некоторые из них обладают способностью к полной регенерации после травмы.

В этом видео будет кратко рассмотрена история, освещены ключевые открытия в этой области, некоторые важные вопросы, которые в настоящее время исследуются, некоторые анализы, используемые для ответа на эти вопросы, и несколько конкретных лабораторных применений этих концепций.

Прежде чем говорить о проводимых в настоящее время экспериментах, давайте взглянем на некоторые важные открытия в истории исследований старения и регенерации.

Первые наблюдения за регенерацией тканей произошли около 350 года до нашей эры, когда Аристотель заметил, что ящерицы способны регенерировать свои хвосты после того, как они были отрублены.

В XVIII веке регенерация тканей стала горячей темой исследований, и трое ученых — Р. А. Фершо де Реомюр, Абрахам Трембли и Лаззаро Спалланцани — независимо друг от друга провели детальные исследования регенерации тканей у раков, гидр и тритонов соответственно.

В течение следующего столетия основные ученые стали меньше интересоваться феноменом регенерации, но в начале 1900-х годов интерес к смежной области старения начал расти. Алексис Каррель, французский хирург и биолог, предположил, что клетки, выращенные в культуре, бессмертны и могут делиться бесконечно. Однако другие ученые не смогли повторить его утверждения.

В 1961 году Леонард Хейфлик и Пол Мурхед продемонстрировали, что, вопреки утверждениям Каррела, нормальные клетки, выращенные в культуре, подвергаются делению конечное число раз, примерно от 40 до 60, после чего они вступают в фазу старения. Это явление ограниченного деления клеток стало известно как «предел Хейфлика».

Первые намеки на механизм этого ограничения появились в 1973 году, когда советский биолог Алексей Оловников признал, что механизм репликации ДНК не может полностью воспроизвести концы хромосом, называемые теломерами. Он предсказал существование механизма поддержания длины теломер в здоровых и раковых клетках.

Позже, в 1984 году, Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак обнаружили, что этот механизм связан с ферментом под названием теломераза. Они продемонстрировали, что теломераза отвечает за добавление повторяющихся последовательностей к 3'-концу хромосомы, что затем позволяет ДНК-полимеразе полностью реплицировать концы хромосомы. Блэкберн, Грейдер и Шостак разделили Нобелевскую премию за это открытие в 2009 году.

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые открытия, связанные со старением и регенерацией, давайте рассмотрим несколько ключевых вопросов, которые сегодня задаются в этой области.

Один из важных исследуемых вопросов: как стареют клетки? Преобладающая теория старения клеток называется теорией свободных радикалов. Идея заключается в том, что, когда клеточные органеллы, называемые митохондриями, осуществляют окислительное дыхание, образуются побочные продукты, известные как активные формы кислорода, или АФК. Перепроизводство этих молекул вызывает окислительный стресс, который изменяет функцию органелл, таких как сами митохондрии и эндоплазматический ретикулум, а также может привести к повреждению ядерной ДНК. Ученые заинтересованы в том, чтобы выяснить механизмы, лежащие в основе этих явлений.

Еще один вопрос, который задают: какие физиологические факторы и факторы окружающей среды влияют на продолжительность жизни организма? Некоторые исследователи стремятся проанализировать влияние изменений окружающей среды, например, ограничения калорий, на продолжительность жизни организма. Другие исследователи заинтересованы в выявлении генов и биохимических путей, которые регулируют процесс старения.

Наконец, ученые также пытаются понять, как ткани подвергаются спонтанной регенерации после травмы. Было обнаружено, что специальные клетки, известные как взрослые стволовые клетки, играют важную роль в этом процессе, и некоторые исследователи интересуются динамикой этих клеток после травмы. С клинической точки зрения, ученые заинтересованы в изучении того, как эти клетки могут быть использованы в терапии дегенеративных заболеваний.

Теперь, когда вы знаете некоторые вопросы, которые задаются в этой области, давайте рассмотрим различные исследовательские инструменты, которые ученые используют, чтобы ответить на эти вопросы.

Одним из способов измерения возраста клеток является определение длины теломер и активности теломеразы. Оба эти параметра можно измерить с помощью полимеразной цепной реакции, или ПЦР.

Ученые также изучают установленные маркеры стареющих клеток, таких как β-галактозидаза. Это можно сделать путем окрашивания клеток с помощью биохимических анализов и наблюдения за ними под микроскопом.

Для изучения факторов, влияющих на продолжительность жизни организма, ученые часто используют модельные беспозвоночные организмы, такие как черви или мухи. Преимущества этих модельных организмов заключаются в их относительно коротком времени генерации и возможности выращивания в простых лабораторных условиях. Кроме того, в этих организмах можно легко проводить генетические манипуляции, которые помогают ученым изучить роль генов в процессе старения и долголетия.

Наконец, роль взрослых стволовых клеток в регенерации тканей может быть изучена с помощью нескольких подходов. Например, ученые могут помечать взрослые стволовые клетки в целевой ткани специальными маркерами, что позволяет им отслеживать эти клетки по мере регенерации ткани. Иногда исследователи напрямую вводят эти мультипотентные стволовые клетки в поврежденную ткань, чтобы изучить их роль в восстановлении после травмы.

Поскольку теперь вы знаете некоторые методы, используемые в области старения и регенерации тканей, давайте рассмотрим несколько конкретных применений этих методов.

Круглый червь Caenorhabditis elegans был использован в качестве скрининговой платформы для выявления генных мутаций, которые могут продлить продолжительность жизни. Здесь, после синхронизации возраста с помощью протокола откладки яиц, ученые проанализировали влияние мутации гена на продолжительность жизни организма.

Для изучения механизмов регенерации тканей существует множество моделей, которые включают в себя первоначальную травму с последующим анализом регенеративных механизмов. В этом примере ученые изучили регенерацию тканей после абляции боковой линии, ключевого сенсорного компонента периферической нервной системы рыбок данио.

Чтобы вызвать абляцию, ученые обрабатывали рыбу гентамицином. По истечении назначенного времени восстановления рыб заливали в флуоресцентный раствор витального красителя, который окрашивает нейральные стволовые клетки. Затем эти окрашенные клетки были количественно определены с помощью флуоресцентной микроскопии.

Наконец, исследователи часто вводят взрослые стволовые клетки, чтобы вызвать восстановление поврежденных тканей. Здесь ученые использовали мультипотентные стволовые клетки, чтобы вызвать регенерацию поврежденных мышечных тканей. Для этого ученые создали модели мышей с поврежденными мышцами задних конечностей. Затем мультипотентные стволовые клетки вводились непосредственно в поврежденные мышцы. После введения клеткам было дано время для пролиферации и дифференцировки, а также был проанализирован их вклад в функциональное улучшение.

Вы только что посмотрели введение JoVE в область старения и регенерации. В этом видео были рассмотрены исторические моменты в этой области, некоторые ключевые вопросы, которые задают биологи, несколько известных анализов, используемых для ответа на эти вопросы, и текущие эксперименты, проводимые для понимания биологии старения и регенерации. Как всегда, спасибо за просмотр!