miniatura|Limita Hayflick stipulează că o celulă obișnuită se va divide de aproximativ 50 de ori înainte de a ajunge într-o etapă cunoscută sub numele de senescență. Pe măsură ce celula se divide, telomerii de la capătul unui cromozom liniar devin mai scurți. În cele din urmă, telomerii nu vor mai fi prezenți pe cromozom. Această etapă finală este conceptul care leagă deteriorarea telomerilor de îmbătrânire. miniatura|Sus: Celule fibroblaste embrionare primare de șoarece (MEF-uri) înainte de senescență. Formă fusiformă.Jos: MEF-urile au devenit senescente după pasaje. Celulele cresc mai mari, capătă o formă aplatizată și exprimă β-galactozidază asociată cu senescența (SABG, zone albastre), un marker al senescenței celulare.
Senescența celulară este un fenomen caracterizat prin încetarea diviziunii celulare. În anii 1960, Leonard Hayflick și Paul Moorhead au descoperit că fibroblastele fetale umane normale în cultură ating un maxim de aproximativ 50 de dublări ale populației celulare înainte de a deveni senescente, un proces cunoscut sub numele de „senescență replicativă” sau limita Hayflick. Această descoperire a deschis calea pentru înțelegerea căilor moleculare ale îmbătrânirii celulare. Senescența celulară poate fi inițiată de o varietate de factori de stres, inclusiv evenimente dăunătoare de mediu, stres oxidativ, creștere celulară anormală și altele.
Importanța fiziologică a senescenței celulare este asociată cu prevenirea carcinogenezei și, recent, cu îmbătrânirea, dezvoltarea și repararea țesuturilor. Celulele senescente contribuie la fenotipul îmbătrânirii, inclusiv sindromul de fragilitate, sarcopenia și bolile asociate cu îmbătrânirea. De asemenea, astrocitele și microglia senescente sunt implicate în procesele neurodegenerative.
Mecanisme celulare
Răspunsul la stres și deteriorarea ADN-ului Senescența replicativă poate fi declanșată de răspunsul la deteriorarea ADN-ului cauzată de scurtarea telomerilor sau de stresul oxidativ. Celulele pot deveni senescente ca răspuns la deteriorarea ADN-ului provocată de specii reactive de oxigen (ROS), activarea oncogenelor sau fuziunea celulară. Răspunsul la deteriorarea ADN-ului (DDR) oprește progresia ciclului celular până când leziunile ADN-ului sunt reparate. Celulele senescente prezintă un DDR persistent, care este rezistent la repararea endogenă a ADN-ului. Acest DDR prelungit activează kinazele ATM și ATR, ceea ce duce la oprirea ciclului celular.
În funcție de severitatea deteriorării ADN-ului, celulele pot să nu mai fie capabile să se repare și pot trece fie prin apoptoză, fie prin senescență celulară. Celulele senescente din culturile și țesuturile mamiferelor păstrează rupturi de dublu lanț (DSB) și markeri ai răspunsului la deteriorarea ADN-ului (DDR). S-a propus că DSB-urile persistente sunt factori principali care contribuie la procesul de îmbătrânire. Mutațiile în genele asociate cu menținerea genomului au fost legate de boli de îmbătrânire prematură, susținând astfel rolul senescenței celulare în îmbătrânire (vezi teoria deteriorării ADN-ului în îmbătrânire).
Deplețiunea NAD+ poate conduce la deteriorarea ADN-ului și la senescența celulară în celulele musculare netede vasculare.
Deși celulele senescente nu se mai pot replica, ele rămân active din punct de vedere metabolic și adoptă adesea un fenotip imunogen, caracterizat printr-un secretom proinflamator, suprareglarea liganzilor imuni, un răspuns pro-supraviețuire, expresie genică promiscuă (pGE) și teste pozitive pentru activitatea β-galactozidazei asociate cu senescența. Două proteine, β-galactozidaza asociată cu senescența și p16Ink4A, sunt considerate biomarkeri ai senescenței celulare. Totuși, aceste proteine pot genera rezultate fals pozitive în cazul celulelor care le exprimă în mod natural, cum ar fi macrofagele tisulare în dezvoltare și celulele T.
Celulele senescente pot suferi o conversie către un fenotip imunogen care le permite să fie eliminate de sistemul imunitar. Acest fenotip include un secretom proinflamator, suprareglarea liganzilor imuni, un răspuns pro-supraviețuire, expresie genică promiscuă (pGE) și teste pozitive pentru activitatea β-galactozidazei asociate cu senescența. Nucleul celulelor senescente este caracterizat prin focare de heterocromatină asociată cu senescența (SAHF) și segmente ADN cu modificări ale romatinei care contribuie la senescență (ADN-SCARS). Celulele senescente influențează suprimarea tumorilor, vindecarea rănilor și dezvoltarea embrionară/placentară, având un rol patologic în bolile legate de vârstă.
Rolul telomerilor Telomerii sunt secvențe repetate de ADN situate la capetele cromozomilor care se scurtează în timpul fiecărui ciclu de diviziune celulară. Recent, rolul telomerilor în senescența celulară a stârnit un interes crescut, mai ales în ceea ce privește posibilele efecte adverse genetice ale clonării. Scurtarea succesivă a telomerilor cu fiecare ciclu celular este considerată a limita numărul de diviziuni ale celulei, contribuind astfel la procesul de îmbătrânire. După o scurtare suficientă, proteinele responsabile pentru menținerea structurii telomerice, cum ar fi TRF2, sunt deplasate, ceea ce face ca telomerul să fie recunoscut ca un loc al unei rupturi de dublu lanț. Aceasta induce senescența replicativă. Teoretic, odată ce se va descoperi mecanismul exact al imortalității biologice, ar putea fi utilizată ingineria genetică pentru a crea celule cu aceeași capacitate. Lungimea telomerilor are efecte asupra senescenței; scurtarea telomerilor activează modificări extinse în matisarea alternativă a ARN-ului care produc toxine senescente precum progerina, care degradează țesutul și îl face mai predispus la deficiență.
Rolul oncogenelor BRAFV600E și Ras sunt două oncogene implicate în senescența celulară. BRAFV600E induce senescența prin sinteza și secreția de IGFBP7. Ras activează cascada MAPK, ceea ce duce la creșterea activării p53 și la suprareglarea p16INK4a. Tranziția către o stare de senescență datorată mutațiilor oncogenelor este ireversibilă și este denumită senescență indusă de oncogene (OIS).
Interesant este că, chiar și după activarea oncogenică a unui țesut, mai mulți cercetători au identificat un fenotip senescent. De exemplu, s-a observat un fenotip senescent în leziuni benigne ale pielii purtând mutații oncogene la pacienții cu neurofibrom, care au un defect ce cauzează specific o creștere a Ras. Această descoperire a fost reproducibilă în leziuni benigne ale prostatei, în leziuni melanocitare ale șoarecilor transgenici HGF/SF iradiați UV, în limfocite și în glanda mamară a șoarecilor transgenici N-Ras, precum și în hiperplazii ale glandei pituitare a șoarecilor cu activitate E2F dereglată. Cheia acestor descoperiri este că manipulările genetice care au abrogat răspunsul la senescență au dus la dezvoltarea malignității complete în acele carcinoame. Astfel, dovezile sugerează că celulele senescente pot fi asociate cu stadii premaligne ale tumorii. În plus, s-a speculat că un fenotip senescent ar putea servi ca un marker promițător pentru stadialitate.
Există două tipuri de senescență in vitro: senescența ireversibilă mediată prin căile INK4a/Rb și p53, și fenotipul senescent reversibil mediat prin p53. Acest lucru sugerează că calea p53 ar putea fi utilizată eficient ca intervenție terapeutică pentru a declanșa senescența și, în cele din urmă, a atenua tumorigeneza.
p53 s-a dovedit a avea relevanță terapeutică promițătoare într-un context oncologic. Într-o lucrare din 2007 publicată în Nature de Xue et al., s-a utilizat RNAi pentru a regla p53 endogen într-un model de carcinom hepatic. Aceștia au folosit un model himeric de cancer hepatic la șoarece și au transdus acest model cu oncogenul Ras. Au luat celule progenitoare embrionice, le-au transdus cu Ras oncogenic împreună cu proteina transactivatoare tetraciclinică (TTA) pentru a controla expresia p53 folosind doxiciclina, un analog tetraciclinic, și ARN mic de răspuns scurt (shRNA) sensibil la tetraciclină. În absența doxicilinei (Dox), p53 a fost activ suprimat pe măsură ce nivelurile microARN-ului au crescut; astfel, când Dox-ul a fost administrat, microARN-ul p53 a fost dezactivat pentru a facilita expresia p53. Cancerele hepatice care exprimau Ras au arătat semne de senescență după reactivarea p53, inclusiv o creștere a proteinei β-galactozidazei asociate cu senescența. Chiar dacă expresia p53 a fost activată sau dezactivată temporar, senescența prin SA-β-gal a fost observată. Xue et al. demonstrează că prin reactivarea temporară a p53 în tumori fără activitate funcțională p53 se poate observa regresia tumorii. Inducerea senescenței celulare a fost asociată cu o creștere a citokinelor inflamatorii conform modelului SASP (secretom asociat cu senescența). Prezența atât a senescenței cât și a unei creșteri a activității imune este capabilă să regreseze și să limiteze creșterea carcinomului hepatic în acest model animal.
Căi de semnalizare Există mai multe căi de semnalizare raportate care conduc la senescența celulară, inclusiv căile p53 și p16Ink4a. Ambele căi sunt activate ca răspuns la stresori celulari și duc la inhibarea ciclului celular. p53 activează p21, care dezactivează kinaza dependentă de ciclină 2 (Cdk 2). Fără Cdk 2, proteina retinoblastomului (pRB) rămâne în forma sa activă, hipofosforilată, și se leagă de factorul de transcripție E2F1, un regulator important al ciclului celular. Aceasta reprimă țintele transcripționale ale E2F1, ducând la oprirea ciclului celular după faza G1.
p16Ink4a activează, de asemenea, pRB, dar prin inactivarea kinazei dependente de ciclină 4 (Cdk 4) și kinazei dependente de ciclină 6 (Cdk 6). p16Ink4a este responsabil pentru inducerea senescenței premature induse de stres. Aceasta nu este ireversibilă; inactivarea p16Ink4a prin metilarea promotorului sau prin ștergerea locusului p16Ink4a permite celulelor să reia ciclul celular dacă senescența a fost inițiată prin activarea p16Ink4a.
Expresia genelor asociate cu fenotipul secretor al senescenței (SASP) este indusă de o serie de factori de transcripție, inclusiv C/EBPβ, dintre care cel mai important este NF-kB. Oncogenele aberante, deteriorarea ADN-ului și stresul oxidativ induc kinaze activate de mitogen, care sunt regulatori upstream ai NF-κB.
Inhibarea țintei mecaniciste a rapamicinei (mTOR) suprimă senescența celulară; prin urmare, senescența celulară este inhibată de rapamicină.
Caracteristicile celulelor senescente Celulele senescente sunt foarte eterogene, ceea ce a determinat majoritatea experților din domeniu să concluzioneze că nu va fi găsit un marker universal pentru aceste celule și că este necesară o abordare multi-marker pentru detectarea lor. Din acest motiv, a fost creată Rețeaua Programului de Senescență Celulară (Cellular Senescence Program Network) pentru a identifica și caracteriza celulele senescente în diferite țesuturi ale corpului.
Celulele senescente sunt comune în special în piele și țesutul adipos. Aceste celule sunt de obicei mai mari decât celulele non-senescente. Transformarea unei celule care se divide într-o celulă senescentă nedivizibilă este un proces lent care poate dura până la șase săptămâni.