IMBATRANIREA CELULARA

IMBATRANIREA CELULARA

Generalitati

O definitie biologica a imbatranirii este aceea a unor schimbari structurale si functionale ce survin intr-un organism odata cu depasirea perioadelor de dezvoltare si maturitate, in asa numita perioada a postmaturitatii. Aceasta se caracterizeaza printr-o vulnerabilitate in crestere la solicitarile mediului, cauzata si insotita de un declin al functiilor fiziologice si adaptative ale organismului ce se doresc la randul lor modificarilor moleculare si morfologice de la nivel celular.

Viata marii majoritati a populatiilor celulare din organismul uman poate fi impartita in patru faze: functionarea normala, imbatranirea (senescenta), agonia si moartea celulara.

Dintre modificarile morfologice si biochimice caracteristice celulelor senescente amintim: scaderea volumului celular, modificari nucleare (retractarea si condensarea nucleilor ce apar intens colorati cu detaliile de structura disparute - picnoza nucleara), carioliza (disparitia nucleului), cariorexis (fragmentarea nucleului), anormalitati cromozomiale, reducerea ratei transcriptiei, translatiei si degradarii proteice, scaderea bazofiliei citoplasmei cu acumulare de pigmenti si lipide urmata de vacuolizarea ei, cresterea numarului si marimii lizozomilor, acumularea unor forme alterate ale priteinelor structurale ce conduce la perturbarea functiilor celulare (ex: acumularea de ADN-polimeraza modificata este partial responsabila de limitarea capacitatii proliferative a fibroblastilor senescenti), supraexprimarea in celulele senescente a genei WAF-1 numita si sdi-1 (inhibitorul sintezei de ADN caracteristic celulelor senescente), a carui produs, proteina Cip -1 este un puternic inhibitor al kinazelor dependente de cicline ce actioneaza in faza G1 a ciclului celular - element esential ce cauzeaza perturbarea homeostaziei proliferative celulare, scaderea sensibilitatii la o mare varietate de factori de crestere si hormoni datorata fie reducerii odata cu varsta a numarului de receptori celulari fie alterarii cailor de transductie a semnalului.

Doua evenimente importante sunt in general legate de senescenta: diminuarea potentialului proliferativ si scaderea masei celulare. Aceasta rarefiere celulara progresiva afecteaza majoritatea organelor fiind evidenta in special la nivelul pielii, muschilor, rinichilor, creierului si sangelui, fiind insotita si de o crestere a concentratiei de ADN in plasma persoanelor in varsta. Astazi este unanim acceptat ca aceasta scadere a masei celulare la organismele senescente este probabil de natura apoptotica. Recentele progrese facute in intelegerea bazelor biologice ale senescentei au condus la ipoteza ca mecanismele de inductie ale apoptozei (moartea celulara programata) sunt activate de anumite modificari fiziopatologice caracteristice imbatranirii celulare. Legatura dintre apoptoza si imbatranire este totusi inca intuitiva si incomplet explorata.

Moartea celulara se produce instantaneu deci se pot observa numai modificari post-mortem (celule cu forma sferica, retractarea pseudopodelor, colorarea difuza a nucleului si citoplasmei cu ajutorul colorantilor vitali, disparitia mitocondriilor, cariorexis si carioliza nucleara), ce se datoreaza eliberarii enzimelor lizozomale si constituie semnul cert al mortii organismului.

Cauzele senescentei celulare

Studiile realizate in aceasta directie au stabilit implicarea in acest mecanism complex a doua categorii principale de factori:

1. extrinseci (influenta mediului si a stilului de viata)
2. intrinseci (procese primare de imbatranire determinate genetic)

In functie de aceste doua categorii de factori, au aparut o serie de teorii privind cauzele imbatranirii celulare clasificate in diverse moduri.

In general este vorba de teoriile pasive care considera ca imbatranirea ar fi consecinta acumularii pasive de erori la nivelul constituentilor celulari (ADN, ARN, proteine si lipide) ce se datoreaza unor agresiuni din mediu, la care se adauga mecanisme imperfecte de reparare; si de teoriile active care considera imbatranirea celulara ca un fenomen activ programat genetic. Aceste doua teorii in realitate se gasesc intr-o stransa interdependenta (de ex: prezenta proteinelor alterate in interiorul celulelor poate conduce la modificarea expresiei genetice).

Teoriile pasive difera intre ele in ceea ce priveste tipurile de macromolecule modificate care determina imbatranirea celulara cat si mecanismele ce conduc la aparitia acestor modificari macromoleculare. Teoriile bazate pe acumularea pasiva de erori se concentreaza pe: mutatii somatice, proteine imperfecte, lipide distruse sau combinatii de macromolecule alterate. Principalele teorii pasive sunt:

1.Rata de supravietuire o prima teorie pasiva privind imbatranirea celulara propusa initial de Pearl se bazeaza pe corelatia stransa dintre rata metabolica si rata imbatranirii la diferite specii de animale. Folosirea de "combustibil" este un proces biologic de baza esential vietii, dar care poate avea si consecinte nefaste. S-a demonstrat ca rata metabolica este in relatie inversa cu durata vietii deci este o componenta a imbatranirii, de exemplu atunci cand rata metabolica a unor animale este redusa experimental, durata lor de viata creste.

2. Mutatii somatice

Este cunoscut faptul ca numarul anomaliilor cromozomiale creste in celulele senescente datorandu-se fie diminuarii eficacitatii mecanismelor celulare de reparare a ADN-ului, fie acumularii cu varsta a unui numar mare de agenti distructivi.

3. Acumularea de reziduuri

Se refera in special la acumularea odata cu avansarea in varsta a lipofuscinei in lizozomii secundari ai celulelor postmitotice. Lipofuscina provine din glicozilarea non-enzimatica a proteinelor cu rata de supravietuire mare cat si a ADN-ului. Aceasta glicozilare a ADN-ului numita de Ross si colab., reactie de glicare, depinde de posibilitatea de intalnire dintre moleculele de glucoza circulante si gruparile amino libere de la capatul N-terminal al lanturilor polipeptidice sau lanturilor laterale de lizina. Aceste reactii sunt mult mai frecvente in spatiile extracelulare si tesuturile conjunctive deoarece glucoza circula liber prin aceste spatii in timp ce in interiorul celulelor nivelul ei este mult mai atent controlat iar proteinele acestor zone (colagen, fibronectina si elastina) au durata de viata relativ lunga.

4. Legaturi incrucisate

Aceasta teorie se refera la existenta unui proces progresiv cu varsta de legare incrucisata a unor macromolecule intra si extracelulare. Intensificarea acestui fenomen, caracteristica celulelor senescente, poate fi generata de unii agenti oxidanti, radicali liberi produsi prin reactia proteinelor glicate cu oxigenul, etc. Totodata, cresterea odata cu varsta a numarului de legaturi incrucisate a colagenului cu alte macromolecule ar putea explica scaderea elasticitatii tesuturilor organismelor senescente.

5. Radicalii liberi constituie sa explice o serie de fenomene caracteristice imbatranirii celulare. Ar putea parea surprinzator faptul ca acestia figureaza printre posibilii factori ce conduc la imbatranirea celulara, stiut fiind faptul ca radicalii liberi oxigenati au prin definitie o durata de viata scurta iar fenomenele de imbatranire celulara implica o evolutie de ani de zile. Totusi efectele toxice ale radicalilor liberi asupra acizilor nucleici, proteinelor si lipidelor sunt bine cunoscute. In realitate actiunea lor asupra unei proteine este foarte scurta si supusa legii hazardului.

Dintre efectele citotoxice ale radicalilor liberi, amintim: oxidarea lipidelor si anume a acizilor grasi nesaturati apartinand fosfolipidelor membranare ce conduce la alterari ale structurii plasmalemei, ale fluiditatii, deci la perturbarea functiilor acesteia; alcoolii, aldehidele si hidrocarburile volatile, produsi finali ai peroxidarii inhiba sinteza proteica, pot modifica permeabilitatea vasculara si activitatea chemotactica; oxidarea proteinelor creste hidrofobicitatea si sensibilitatea acestora la proteoliza; in ceea ce priveste efectul radicalilor liberi asupra acizilor nucleici, cele mai susceptibile componentele ADN-lui la actiunea acestora sunt timina si citozina urmate de adenina si guanina si de dezoxiriboza

In mod normal organismul dispune de sisteme naturale de protectie impotriva radicalilor liberi, cele mai importante fiind localizate intracelular. Exista un sistem primar de aparare numit si de prevenire ce diminua rata de initiere a reactiilor radicalilor liberi prin descresterea concentratiilor si un sistem secundar ce stopeaza efectele lor toxice chiar din stadiile incipiente. Din sistemul primar de aparare fac parte o serie de enzime cum ar fi superoxid dismutazele, catalaza, glutation-peroxidaza, glutation-reductaza, etc., unele proteine cat si unele molecule mici raspandite in sistemele biologice care pot elimina radicalii liberi pe cai neenzimatice (ex. vitamina C, acidul uric, taurina si hipotaurina, glutationul, etc.) Sistemul secundar de aparare cuprinde enzime cum ar fi multe glutation-transferaze ce au o activitate tip peroxidaza dependenta de glutation si care reprezinta sisteme de aparare impotriva peroxidarii lipidelor, diferite oxido-reductaze cat si alte enzime proteolitice. Enzimele nucleare pentru repararea ADN-lui sunt considerate un sistem de aparare important impotriva agresiunii radicalilor liberi: ex. ADN-polimeraza 1, ADN-ligaza, etc. Alaturi de aceste enzime din sistemul secundar de aparare impotriva radicalilor liberi, mai fac parte si alte molecule cum ar fi vitamina E, principalul antioxidant lipidic solubil prezent in toate plasmalemele ce protejeaza impotriva peroxidarii lipidelor, (3-carotenul si bilirubina. Datorita localizarii predominant intracelulare a acestor sisteme, radicalii liberi formati in spatiul extracelular in special in tesutul conjunctiv, au o durata de viata mult mai lunga si o posibilitate mult mai mare de a exercita efecte toxice.

'Catastrofa erorii'

Una din cele mai cunoscute si mai studiate dintre teoriile erorii privind imbatranirea celulara a fost elaborata de Orgel in urma cu 30 de ani. O 'eroare catastrofala' exponentiala a fost propusa ca o inevitabila consecinta a doi factori ce privesc transcriptia si translatia:

Transferul informatiei ADN-ARN-proteina nu se realizeaza cu
acuratete;

Implicarea proteinelor in acest transfer de informatie;

Cu varsta, se acumuleaza erori in transcriptie si translatie care au ca rezultat sinteza unor proteine modificate care la randul lor vor perturba transfeail informational: enzime ca ARN-polimeraza, aminoacil-ARNt-sintetaza, proteine ribozomale, etc. Se realizeaza astfel o cascada de erori a caror rata depaseste capacitatea reparatorie a celulei si care va conduce la o adevarata 'catastrofa'.

Una din afirmatiile acestei teorii legata de nivelul crescut al proteinelor modificate in celulele senescente este reala si unanim acceptata si astazi. Se considera totusi ca aceasta teorie nu este corecta in totalitate deoarece cresterea numarului proteinelor modificate in celulele senescente este rezultatul unor modificari post-translational mai curand decat al unor erori de translatie.

Degradarea proteinelor alterate

Degradarea proteinelor in organismele senescente este mult redusa in special in tesuturi cum ar fi muschiul cardiac, muschii scheletici, ficat si creier. O serie de cai lizozomale ale proteolizei diminua odata cu inaintarea in varsta dar natura exacta a acestui defect nu a fost inca identificata. Anumite caracteristici ale celulelor senescente pot fi explicate ca fiind o consecinta secundara a diminuarii proteolizei lizozomale. De exemplu, acumularea proteinelor modificate in celulele senescente poate fi explicata prin reducerea turnoverului proteinelor.

B. Teorii care considera imbatranirea celulara un proces activ, programat genetic.

1. O modalitate de programare este restrictia codonilor. Strehler si colab. au avansat ideea ca una din caile prin care organismele dirijeaza sinteza anumitor proteine in anumite stadii ale dezvoltarii este aceea de a utiliza codoni diferiti pentru codificarea aceluiasi aminoacid in diferite gene. Daca utilizarea codonilor se schimba in diferite stadii ale dezvoltarii timpurii si numarul codonilor posibili este finit, imbatranirea ar fi rezultatul reducerii translatiei anumitor gene esentiale.

2. Inactivarea copierii multiple a secventelor ADN. Medvedev a sugerat ca diminuarea capacitatii proliferative celulare ar putea fi rezultatul inactivarii secventiale a genelor repetitive. Conform acestei teorii, cand o copie a unei gene este modificata sau inactivata selectiv, alte copii pot fi activate pana cand ultima copie a genei respective este utilizata.

In acest punct, imbatranirea celulara s-ar datora absentei unui produs genic important.

Multe proteine sunt codificate de gene unice (per genom haploid) si deci generalitatea acestui mecanism pare indoielnica.

3. Scurtarea telomerelor. Conform teoriei propusa de Olovnikov, celulele nu isi replica complet cromozomii in timpul diviziunii celulare si deci secventele ADN replicate tardiv se pot pierde.

Deoarece la capatul unitatilor replicative sunt localizate anumite secvente de ADN repetitiv neesentiale, rezulta ca genele esentiale nu se pierd decat dupa un numar de diviziuni celulare.

Ipoteza scurtarii telomerelor este un foarte bun exemplu al faptului ca teoriile pasive si cele active de imbatranire celulara sunt oarecum legate. Scurtarea telomerelor poate fi un eveniment programat sau unul legat de exprimarea in celulele senescente a unei telomeraze diferite sau de declinul activitatii telomerazei odata cu varsta, datorat, de exemplu, reducerii ratei turnoverului urmata de acumularea unor modificari posttranslationale

4. O teorie simpla a senescentei celulare programate presupune activarea unei anumite gene (sau anumitor gene) dupa un anumit numar de diviziuni celulare. Aceasta gena codifica o proteina ce inhiba intrarea in faza S a ciclului celular (gene cu actiune intarziata).

Disfunctiile unor posibili inhibitori ai proliferarii celulare, ale caror rezultate sunt aparitia tumorilor la specia umana, au condus si la identificarea acestora. Unul dintre ei este p53 ce ar trebui sa fie supraexprimat in celulele senescente, ceea ce nu s-a constatat deocamdata.

Un alt aspect important este cel legat de proteina Rb - unul din principalii inhibitori ai derularii ciclului celular. In mod normal, celulele tinere fosforileaza aceasta proteina la trecerea din faza G in faza S; in schimb, celulele senescente au nivele similare de proteina Rb dar nu realizeaza fosforilarea acestei proteine, mentinand-o nefosforilata.