Существует ли предел клеточных делений

Идея о том, что клетки животных способны совершить лишь ограниченное и строго определенное число делений, была высказана еще в 1882 году Вейсманом (Weismann, 1882), подробно обсуждалась Мечниковым (1907), а в настоящее время получила экспериментальные подтверждения (Micklem et al., 1975; Reincke et al., 1975; Botnick et al., 1976) и стала основой ряда теорий старения (Olovnikov, 1973; Holliday, 1975).

«Старение» клеточных культур часто рассматривают как основное доказательство ограниченной способности клеток к делению (Marx, 1974; Reincke et al., 1975; Hirsch, 1977).

Действительно, установлено, что репликативное старение многих клеточных культур происходит только при делении клеток и не связано непосредственно с интенсивностью их метаболизма, как передает Интернет-издание для девушек и женщин от 14 до 35 лет Pannochka.net

Например, если временно подавить клеточное деление в культурах фибробластов человека (понижением температуры, уменьшением концентрации сыворотки крови в культуральной среде, повышением плотности популяции), а затем снова создать условия для роста, то в таких культурах репликативная гибель наступает позднее на срок, равный времени нахождения культуры в непролиферируюгцем состоянии.

При этом число удвоений, совершенных клеточной популяцией, не меняется (см.: Гаврилов, Гаврилова, 1978). Поэтому «возраст» и «продолжительность жизни» клеточных культур следует определять не через календарное время, а через число делений, совершенных клетками (так называемое митотическое время) (Dell Orco 1974; Goldstein, Singal, 1974; Гаврилов, Ягужинский, 1978).

Практически митотическое время выражают через число пересевов (пассажей), полагая, что один пассаж в отношении 1 : 2 соответствует одному удвоению популяции (Cristofalo, 1972; Goldstein, 1974), а одно удвоение — одному делению клеток культуры (Marx, 1974).

Например, культура эмбриональных диплоидных фибробластов человека способна выдержать около 50+10 пересевов в отношении 1 : 2 (Hayfiick, 1965); поэтому считают, что данная культура совершает 50 удвоений популяции (Hayfiick, 1969; Cristofalo, 1972), а клетки этой культуры способны поделиться 50 раз (Marx, 1974; Дубина, Разумович, 1975).

Однако известно, что многие клетки в организме (например, клетки слизистой кишечника, кожи, кроветворные и лимфоидные клетки) способны делиться значительно больше 50 раз (Дубина, Разумович, 1975; Cameron, Thrasher, 1976; Hirsch, 1977). Это несоответствие породило сомнения в возможности применения клеточных культур для моделирования возрастных изменений, происходящих в организме (Cristofalo, 1972; Cameron, Thrasher, 1976).

Оказалось, однако, что причина данного противоречия кроется в неправильном расчете числа удвоений и делений. Во-первых, было обнаружено, что через сутки после пересева культуры фибробластов человека в живых остается только 50—70% клеток репликативно молодой культуры (Cristofalo et al., 1970) и всего 25% клеток репликативно старой культуры (Good, 1972).

Поэтому 40—60 пассажей (кажущихся удвоений) соответствуют 80—120 истинным удвоениям популяции (с учетом гибели клеток) (Good, 1972). Во-вторых, не все фибробласты, пережившие операцию пересева, способны делиться, причем доля делящихся клеток сильно уменьшается при репликативном старении (см. выше). С учетом этого факта и постоянной гибели клеток было рассчитано, что 40—60 пассажей культуры фибробластов человека соответствуют 120—160 делениям клеток (Good, 1972; Hirsch, 1977).

Согласно другому, более точному расчету эта величина составляет 170+30 делений (Гаврилов, Ягужинский, 1978). В-третьих, обнаружено, что в «мертвых» культурах фибробластов человека еще остается 10—20% клеток, способных делиться (Cristofalo, Sharf, 1973; Milo, Hart, 1976); поэтому вообще нет никаких оснований говорить о существовании предела числа делений у всех клеток культуры.

Более того, анализ кинетики роста культуры фибробластов человека показал, что абсолютное число делящихся клеток в расчете на всю популяцию фибробластов (т. е. с учетом операции пересева) никогда не уменьшается, а в конце «жизни» культура растет в основном за счет образования неделящихся клеток. Это означает, что репликативное старение культуры вызвано не исчезновением делящихся фибробластов, а их разбавлением неделящимися клетками (Гаврилов, Ягужинский, 1978).

Следовательно, культура может иметь ограниченную «продолжительность жизни» даже в том случае, если часть ее клеток делится неограниченно. В качестве конкретного примера рассмотрим модель, основанную на схеме, предложенной ранее (Osgood, 1959) для клеток кроветворной системы организма.

Согласно этой модели, в культуре фибробластов человека существует 2 типа делящихся клеток: n-клетки, которые способны совершить ограниченное число делений (около 100), превращаясь затем в неделящиеся, и а-клетки, которые делятся неограниченно, причем из а-клеток постоянно образуется некоторое количество n-клеток.

В простейшем случае эти условия выполняются, если а-клетки делятся асимметрично, образуя одну клетку, идентичную родительской (а-клетку), а другую — относящуюся к категории n-клеток. В настоящее время асимметричность деления считается характерным свойством большинства клеток в организме (Hirsch, 1977).

При таком асимметричном делении число а-клеток не может увеличиваться. Нетрудно заметить, что по данной модели разбавление популяции неделящимися клетками является неизбежным, поэтому культура клеток будет иметь ограниченную «продолжительность жизни» даже в том случае, если вначале она полностью состоит из «бессмертных» а-клеток.

Действительно, оказалось, что эта простая модель позволяет качественно описать кинетику репликативного старения культуры фибробластов человека (Гаврилов, Ягужинский, 1978).

Возможные механизмы репликативного старения клеточных культур
В настоящее время конкретные механизмы репликативного старения клеточных культур неизвестны, а имеющиеся многочисленные предположения можно свести к двум обобщенным гипотезам. Концепция накопления нарушений, повреждений или ошибок рассматривает процесс репликативного старения как результат несовершенства различных внутриклеточных систем, например системы переноса генетической информации.

Согласно гипотезе переключения, репликативное старение — это процесс квазидифференцировки клеток культуры, аналогичный дифференцировке клеток в организме (Гаврилов, Гаврилова, 1978).

Среди многих гипотез накопления нарушений большое распространение получила гипотеза «катастрофы ошибок» Оргела (Orgel, 1963; Holliday, 1975), согласно которой на уровне трансляции накапливаются ошибки, приводящие к дальнейшему уменьшению точности работы систем переноса генетической информации.

Однако при анализе экспериментальных подтверждений гипотезы Оргела выясняется, что ни одно из них не доказывает справедливости этой гипотезы (Гаврилов, Гаврилова, 1978). Наиболее серьезным опровержением гипотезы накопления повреждений являются результаты экспериментов по заражению репликативно молодых и старых культур вирусами герпеса (Holland et al., 1973; Hayfiick, 1974), везикулярного стоматита (Holland et al., 1973; Pitha et al., 1974) и полиовирусом (Holland et al., 1973; Hayfiick, 1974; Pitha et al., 1974).

medbe.ru