мини|Хејфликова граница сугерише да ће се просечна ћелија поделити око 50 пута пре него што достигне стадијум познат као сенесценција. Како се ћелија дели, теломере на крајевима линеарног хромозома постају краће. Теломере ће на крају нестати са хромозома. Овај крајњи стадијум је концепт који повезује пропадање теломера са старењем. мини|Горе: Примарне ћелије мишјих ембрионалних фибробласта (MEF) пре сенесценције. Вретенастог облика.Доле: MEF ћелије су постале сенесцентне након пасажа. Ћелије постају веће, спљоштеног облика и изражавају β-галактозидазу повезану са сенесценцијом (SABG, плава подручја), што је маркер ћелијске сенесценције.
Ћелијска сенесценција (ћелијско старење) је феномен који се карактерише престанком ћелијске деобе. У својим експериментима током раних 1960-их, Леонард Хејфлик и Пол Мурхед открили су да нормални људски фетални фибробласти у култури достижу максимум од приближно 50 удвостручавања ћелијске популације пре него што постану сенесцентни. Овај процес, назван Хејфликова граница, познат је и као „репликативна сенесценција”, јер настаје путем репликације. Хејфликово откриће смртних ћелија утрло је пут откривању и разумевању молекуларних путева ћелијског старења. Ћелијска сенесценција може бити покренута широким спектром фактора који изазивају стрес. Ови фактори стреса укључују догађаје који оштећују ћелију, како из спољашње средине тако и унутрашње, абнормални ћелијски раст, оксидативни стрес, факторе аутофагије, између осталог.
Физиолошки значај ћелијске сенесценције приписује се превенцији карциногенезе, а у новије време и старењу, развоју и поправци ткива. Сенесцентне ћелије доприносе фенотипу старења, укључујући синдром слабости, саркопенију и болести повезане са старењем. Сенесцентни астроцити и микроглија доприносе неуродегенерацији.
Ћелијски механизми
Одговор на стрес и оштећење ДНК
Механички гледано, репликативна сенесценција може бити покренута одговором на оштећење ДНК због скраћивања теломера. Ћелије такође могу бити подстакнуте на сенесценцију оштећењем ДНК као одговором на повишене нивое реактивних врста кисеоника (ROS), активацију онкогена и спајање ћелија (ћелијску фузију). Обично се ћелијска сенесценција достиже комбинацијом различитих фактора (тј. и скраћивањем теломера и оксидативним стресом). Одговор на оштећење ДНК (енгл. ) зауставља напредовање ћелијског циклуса док се оштећење ДНК, као што су дволанчани прекиди (енгл. ), не поправи. Сенесцентне ћелије показују упоран DDR који изгледа да је отпоран на ендогене активности поправке ДНК. Продужени DDR активира и ATM и ATR киназе које реагују на оштећење ДНК. Каскада фосфорилације коју покрећу ове две киназе узрокује коначно заустављање ћелијског циклуса. У зависности од тежине оштећења ДНК, ћелије можда више неће моћи да прођу кроз поправку и или улазе у апоптозу или ћелијску сенесценцију. Такве сенесцентне ћелије у културама и ткивима сисара задржавају дволанчане прекиде и DDR маркере. Предложено је да су задржани дволанчани прекиди главни покретачи процеса старења. Мутације у генима који се односе на одржавање генома повезане су са болестима прераног старења, што подржава улогу ћелијске сенесценције у старењу.
Трошење NAD+ може довести до оштећења ДНК и ћелијске сенесценције у ћелијама глатких мишића крвних судова.
Иако сенесцентне ћелије више не могу да се реплицирају, оне остају метаболички активне и обично усвајају имуногени фенотип који омогућава имунском систему да их елиминише. Овај фенотип се састоји од проинфламаторног секретома, појачане регулације имунских лиганада, одговора за преживљавање, промискуитетне експресије гена (pGE) и позитивног бојења на активност β-галактозидазе повезане са сенесценцијом. Два протеина, β-галактозидаза повезана са сенесценцијом и p16Ink4A, сматрају се биомаркерима ћелијске сенесценције. Међутим, ово доводи до лажно позитивних резултата за ћелије које природно имају ова два протеина, као што су макрофаги ткива у сазревању са β-галактозидазом повезаном са сенесценцијом и Т-ћелије са p16Ink4A.
Једро сенесцентних ћелија карактеришу фокуси хетерохроматина повезани са сенесценцијом (SAHF) и ДНК сегменти са алтерацијама хроматина који појачавају сенесценцију (DNA-SCARS). Сенесцентне ћелије утичу на супресију тумора, зарастање рана и могуће ембрионални/плацентарни развој, а имају и патолошку улогу у болестима повезаним са старењем.
Ћелијски раст и величина Ћелијски раст игра кључну улогу у ћелијској пролиферацији, регулишући ћелијску хомеостазу и напредовање ћелијског циклуса кроз динамичне промене у величини ћелије. И попут оштећења ДНК, може подстаћи сенесценцију покретањем продуженог заустављања ћелијског циклуса. Док типично повећање величине ћелије контролише концентрације активатора ћелијског циклуса, прекомеран раст може довести до трајног заустављања ћелијске пролиферације као резултат различитих механичких интеракција са сигналним путевима ћелијског циклуса и присутним праговима.
Како се величина ћелије повећава без довољне пролиферације, ћелијску хомеостазу постаје све теже постићи; ћелија доживљава цитоплазматско разблаживање и подлеже трајном заустављању ћелијског циклуса. Конкретније, осмотски стрес изазван овим прекомерним растом повезан је са акумулацијом протеина p21 током G0/G1 заустављања, што последично спречава поновни улазак у S фазу. Поред тога, упоран раст ћелије током овог заустављања, који је вођен mTOR сигнализацијом, узрокује фенотипове карактеристичне за сенесцентне ћелије, као што су ћелијска хипертрофија, SASP и лизозомалне хиперфункције. Увећане ћелије које су у стању да поново уђу у ћелијски циклус склоне су оштећењу ДНК и доживљавају абнормалности у сигнализацији за поправку (NHEJ пут), што на крају доводи до неуспеха репликације и трајног изласка из ћелијског циклуса.
Свеукупно, установљена је доследна корелација између веће величине ћелије и сенесценције. Разумевање овог механичког односа је корисно за решавање различитих осетљивости на лечење у клиничким контекстима. За туморе који представљају мутације сигнала раста, инхибитори ћелијског циклуса (CDK4/6 и CDK7 инхибитори) имају потенцијал да буду кориснији терапеутици, с обзиром на ову зависност ћелијске сенесценције од величине ћелије.
Улога теломера Теломере су тандемска понављања ДНК на крају хромозома која се скраћују током сваког циклуса ћелијске деобе. У новије време, улога теломера у ћелијској сенесценцији изазвала је опште интересовање, посебно у погледу могућих генетски штетних ефеката клонирања. Такође се верује да узастопно скраћивање хромозомских теломера са сваким ћелијским циклусом ограничава број деоба ћелије, доприносећи старењу. Након довољног скраћивања, протеини одговорни за одржавање структуре теломера, као што је TRF2, бивају расељени, што резултира тиме да теломера буде препозната као место дволанчаног прекида. Ово индукује репликативну сенесценцију. Теоретски, након открића тачног механизма биолошке бесмртности, могуће је генетски модификовати ћелије да имају исту способност. Дужина ланца теломера има сенесцентне ефекте; скраћивање теломера активира екстензивне алтерације у алтернативном спајању РНК које производе сенесцентне токсине као што је прогерин, који разграђује ткиво и чини га склонијим отказивању.
Улога онкогена BRAFV600E и Ras су два онкогена укључена у ћелијску сенесценцију. BRAFV600E индукује сенесценцију кроз синтезу и секрецију IGFBP7. Ras активира MAPK каскаду што резултира повећаном активацијом p53 и појачаном регулацијом p16INK4a. Прелазак у стање сенесценције услед мутација онкогена је неповратан и назван је сенесценција индукована онкогенима (енгл. ).
Занимљиво је да су, чак и након онкогене активације ткива, неколико истраживача идентификовали сенесцентни фенотип. Истраживачи су идентификовали сенесцентни фенотип у бенигним лезијама коже које носе онкогене мутације код пацијената са неурофибромом са дефектом који специфично изазива повећање Ras-а. Овај налаз је био веома поновљив у бенигним лезијама простате, у меланоцитним лезијама HGF/SF-трансгених мишева озрачених УВ зрацима, у лимфоцитима и млечној жлезди код N-Ras трансгених мишева, и у хиперплазијама хипофизе мишева са дерегулисаном E2F активношћу. Кључ за ове налазе је да су генетске манипулације које су поништиле одговор на сенесценцију довеле до потпуног малигнитета у тим карциномима. Као такви, докази сугеришу да сенесцентне ћелије могу бити повезане са премалигним стадијумима тумора. Даље се спекулисало да би сенесцентни фенотип могао послужити као обећавајући маркер за одређивање стадијума. Постоје два типа сенесценције in vitro. Иреверзибилна сенесценција, која је посредована INK4a/Rb и p53 путевима, и реверзибилни сенесцентни фенотип, који је посредован p53. Ово сугерише да би p53 пут могао бити ефикасно искоришћен као терапијска интервенција за покретање сенесценције и на крају ублажавање туморигенезе.
Показало се да p53 има обећавајући терапеутски значај у онколошком контексту. У раду објављеном 2007. године у часопису Nature (Си и сарадници), РНК интерференција (RNAi) је коришћена за регулацију ендогеног p53 у моделу карцинома јетре. Они су користили химерни модел миша са раком јетре и трансдуковали овај модел са рас онкогеном. Узели су ембрионалне прогениторне ћелије, трансдуковали те ћелије онкогеним рас, заједно са тетрациклинским трансактиваторским (tta) протеином да би контролисали експресију p53 користећи доксициклин, аналог тетрациклина, и тетрациклински респонзивну кратку укосницу РНК (shRNA). У одсуству Dox-а, p53 је активно потиснут како су се нивои микроРНК повећавали, па како је Dox примењиван, p53 микроРНК је искључена да би се олакшала експресија p53. Карциноми јетре који су експримирали Ras показали су знаке сенесценције након реактивације p53, укључујући повећање протеина β-галактозидазе повезане са сенесценцијом. Чак и ако је експресија p53 била пролазно активирана или деактивирана, примећена је сенесценција путем SA β-gal. Си и сарадници показују да кратким реактивирањем p53 у туморима без функционалне p53 активности долази до регресије тумора. Индукција ћелијске сенесценције била је повезана са повећањем инфламаторних цитокина, као што се и очекивало на основу SASP-а. Присуство и сенесценције и повећања имунске активности може изазвати регресију и ограничити раст карцинома јетре у овом моделу миша.
Сигнални путеви Постоји неколико пријављених сигналних путева који доводе до ћелијске сенесценције, укључујући путеве p53 и p16Ink4a. Оба ова пута се активирају као одговор на ћелијске стресоре и доводе до инхибиције ћелијског циклуса. p53 активира p21 који деактивира циклин-зависну киназу 2 (Cdk 2). Без Cdk 2, протеин ретинобластома (pRB) остаје у свом активном, хипофосфорилисаном облику и везује се за транскрипциони фактор E2F1, важан регулатор ћелијског циклуса. Ово потискује транскрипционе мете E2F1, доводећи до заустављања ћелијског циклуса након G1 фазе.
p16Ink4a такође активира pRB, али кроз инактивацију циклин-зависне киназе 4 (Cdk 4) и циклин-зависне киназе 6 (Cdk 6). p16Ink4a је одговоран за индукцију преране сенесценције изазване стресом. Ово није неповратно; утишавање p16Ink4a кроз метилацију промотера или делецију p16Ink4a локуса омогућава ћелији да настави ћелијски циклус ако је сенесценција покренута активацијом p16Ink4a.
Експресија гена секреторног фенотипа повезаног са сенесценцијом (SASP) индукована је са неколико транскрипционих фактора, укључујући C/EBPβ, од којих је најважнији NF-κB. Аберантни онкогени, оштећење ДНК и оксидативни стрес индукују митогеном-активиране протеинске киназе, које су узводни регулатори NF-κB.