Клітинне старіння та SASP

Вступ до клітинного старіння

Клітинне старіння — це стабільний, практично незворотний стан зупинки циклу клітин подібності, що виникає у відповідь на різноманітні стреси — активацію онкогенів, скорочення теломер, пошкодження ДНК, окиснювальний стрес, запальні цитокіни, пошкодження тканин, виснаження репродуктивним шляхом та розвиткових сигналів. Старіння вперше було описано Леонардом Хайфліком, який спостерігав, що нормальні людські диплоїдні клітини, вирощені в культурі, припинили ділитися після 40-60 поколінь популяції подібності (межа Хайфліка) без загибелі — фундаментальна відмінність від тодішнього домінування припущення, що клітини можуть нескінченно ділитися. Ми тепер розуміємо, що репродуктивне старіння виникає через скорочення теломер до критичної довжини, що запускає постійний сигнал відповіді на пошкодження ДНК (ДСП) на кінцях хромосом.

Старіння є парадоксальним: воно є протираковим (запобігаючи розмноженню потенційно онкогенних клітин) і корисним для розвитку (тимчасове старіння моделює ембріональну тканину через паракринний сигналізування та імунне видалення), але шкідливим, коли накопичуються старіючі клітини в старих тканинах і не ефективно видаляються імунною системою — викликаючи запалення, фіброз, порушення ніші стовбурових клітин і численні захворювання, пов'язані з віком. Ця подвійна природа — корисна на короткий термін, шкідлива в довгостроковій перспективі — пояснює еволюційного вибору старіння, водночас контекстуалізуючи, чому накопичення старіючих клітин у старих організмах шкідливе. Фармакологічні сенолітичні препарати, які видаляють накопичені старіючі клітини, проходять клінічні випробування для багатьох захворювань, пов'язаних з віком.

Індукція клітинного старіння

Онкогіненезійно-індуковане старіння (ОІС) виникає під дією онкогенних RAS (HRASG12V), BRAF (BRAFV600E) та інших мітогенних онкогенів, надмірна стимуляція яких створює гіперпроліферативні сигнали, що парадоксально зупиняють клітини замість неконтрольованого росту. Мануель Серрано продемонстрував, що онкогіненетичний H-RAS індукує передчасне старіння нормальних людських та мишачих фібробластів – і що необхідним є порушення експресії p53 або p16INK4a/Rb шляхом трансформації замість зупинки. Це встановило ОІС як механізм пригнічення пухлин in vivo. Бенігні меланоцитові навіуси (моли) є старіючими колоніями меланоцитів BRAFV600E, які зупинилися – існують як безневинні ураження протягом десятиліть; експресія p16INK4a універсально висока в клітинах навіусу. При подальших мутаціях, що вимикають p53 або обходять Rb (активація CDK4/6), клітини навіусу уникають старіння та перетворюються на меланому.

Старіння, залежне від теломерів

Теломери людини – це шестинуклеотидні повтори TTAGGG (5-15 кб при народженні), додані тельомеразою (комплекс TERT-TERC-DKC1) – конститутивно експресована лише в герминоцитах, стовбурових клітинах та більшості ракових пухлин, але заглушена у більшості соматичних клітин. З кожним поділом клітини втрачають 50-200 парів нуклеотидів з кінців теломерів (проблема кінцевого відтворення – ДНК-полімераза не може реплікувати 3' теломерний overhang), що призводить до поступового скорочення тіломер до критично коротких, які втрачають організацію T-loop/G-quadruplex shelterin та генерують постійний сигнал DDR (розпізнавання подвійних зв’язків) через втрату TRF2 з коротких тіломерів, що призводить до постійної затримки старіння під дією шляхів p53 і p16-Rb.

Фенотип старіння та секреторна активність

Секреторна активність (SASP) – це комплексний феномен, що включає в себе численні секретовані фактори, які виділяються клітинами в стані старіння. До цих факторів належать: прозапальні цитокіни (IL-6 — домінуючий цитокін SASP, IL-8, IL-1α/β); хемокіни (CXCL1/2/5/8/10, CCL2/8/20), що залучають імунні клітини; матриксні металопротеїнази (MMP1/3/9/10/13), які реорганізують внесок у мезотельний матрикс та обробляють цитокіни та фактори росту; фактори росту (VEGF, HGF, FGF2, EGF) потенційно сприяють зростанню пухлин; а також не кодуючі РНК, такі як miR-21 і circRNA в екзосомах. SASP регулюється NF-κB (p65, активується через DDR-медіаторний сигнал PARP/IKK), C/EBP-β, cGAS-STING (виявлення цитоплазменної ДНК з фрагментів хроматину, що виходять з ядра під час старіння) та шляхом PI3K-mTOR (який регулює трансляцію генів SASP). p38 MAPK та NLRP3 інфламмасом посилюють SASP на пізніх етапах старіння.

Сенолітичні та сеноморфічні засоби

Сенолітичні препарати селективно усувають клітини старіння шляхом цільового впливу на шляхів, які є унікальними для цих клітин (SCAPs — шляхи антиапоптозу клітин старіння). Комбінація дазатинібу (інгібітор BCR-ABL/Src) та кверцетину (флавоноїд інгібітор PI3K/MDM2/Bcl-xL) була виявлена першим сенолітичним засобом у 2015 році — тимчасове призначення D+Q кожні кілька тижнів зменшило кількість клітин старіння, покращивши фізичну функцію, серцево-судинне здоров’я та тривалість життя у мишей. Навітоклокс (ABT-263, інгібітор BCL-2/BCL-xL/BCL-w) є потужним сенолітиком, але викликає тромбоцитопенію через залежність тромбоцитів від BCL-XL, що обмежує клінічні дози. UBX0101 (інгібітор MDM2), фісетін та піперолонгумін є додатковими кандидатами на сенолітичні засоби. Сеноморфічні препарати — це ліки, які інгібують SASP без усунення клітин старіння (інгібітори JAK, NF-kappaB, mTOR) зменшують запалення, викликане SASP, не усуваючи клітини старіння.

Приклади та застосування

Цей ефект пояснює X.

Ефект полягає в тому, що експресія гена p16INK4a (CDKN2A) майже нульова в молодих тканинах, накопичується з віком і підвищена в клітинах-сенаторах у всіх типах. Трансгенна лінія мишей, що експресує луциферзу під провідником p16INK4a, дозволила проводити моніторинг накопичення клітин-сенаторів у реальному часі з віком — кластери з'являлися в жирових западинах, периферійних жирових запасах і лімфатичних вузлах через роки до того, як впливали на інші тканини. Вимірювання експресії mRNA p16INK4a в периферичних Т-клітинах за допомогою ПЛР збільшується з віком та при прискореному фізіологічному старінні (ВІЛ-інфекція, ожиріння, куріння), служачи біомаркером віку у клінічних когортах. У біопсіях шкіри, щільність позитивних за p16 клітин збільшується з ультрафіолетовим випромінюванням, курінням і хронологічним віком.

Приклад 2: Сенація в ембріональному розвитку

Тимчасова сенація відіграє важливу роль у перетворені тканин ембріону — на відміну від патологічної хронічної сенації, клітини-сенатори в ембріональному періоді швидко видаляються макрофагами. Клітини-сенатори спостерігаються в латеральній частині протоки ламінарії, мезонефросі, верхівковому ектодермальному нарості (ВЕН) і міжсомітичних межах під час періодів вікна у розвитку мишей — їх порушення при видаленні p21 або BCL-2 (запобігання сенолізу) викликає дефекти розвитку, подібні до тих, що спостерігаються при синдромах деформації міжпальцевих пальців, підтверджуючи їх невідкладну функцію. Клітини-сенатори у ВЕН видаляються макрофагальною інфільтрацією під час типового періоду регресії ВЕН; порушення макрофагоз-посередкованого видалення викликає збереження ВЕН і деформації міжпальцевих пальців. Розуміння механізмів сенації в ембріональному періоді проти патологічної сенації може допомогти відрізнити корисні від шкідливих популяцій клітин-сенаторів для цільового видалення.

Приклад 3: Сенація при ревматоїдному артриті

Ревматоїдний артрит (РА) характеризується великою кількістю клітин-сенаторів, особливо в клітинах типу II альвеолярних стовпців і фібробластах — викликає SASP (TGF-бета, IL-6, IL-8, MMPs, EGF) що призводить до безпосереднього руйнування матриці хряща та запалення синовиальної оболонки. Клітини-сенатори, що експресують p16INK4a, у хрящових тканинах викликають деградацію хряща та сприяють запаленню синовиальної оболонки. Ін'єкції клітин-сенаторів в колінний суглоб мишей протягом кількох тижнів викликали ознаки РА — в той час як при видаленні клітин-сенаторів за допомогою навітоклакса або дасатінібу + кверцитину інтраартикулярно зменшувало деградацію хряща та больові відчуття у моделях РА мишей. Ці дані пояснюють, чому короткочасний корисний ефект сенації та хронічний шкідливий ефект сенації є окремими цілями, що потребують селективних часових втручань.

Приклад 4: Сенація при ідіопатичному поліартикультарному артриті

Ідіопатичний поліартикультарний артрит (РП) характеризується великою кількістю клітин-сенаторів, особливо в клітинах типу II альвеолярних стовпців (ATII) і фібробластах — викликає SASP (VEGF, IL-6, IL-8, MMPs, EGF), що погіршує захворювання. Зменшення кількості клітин-сенаторів за допомогою навітоклакса в моделях РП з ураженням ATII легень зменшує накопичення клітин-сенаторів і покращує функцію легень. Фаза I клінічних випробувань (вивчення RESOLVE, 2021-2023) з навітоклаксом, що застосовується у пацієнтів з РП, продемонструвала життєздатність, біомаркери доказу активності сенолізу (зменшення експресії p21, p16 циркулюючих маркерів) та попередній сигнал про стабілізацію функції легень. UNITY Biotechnology і Senolytic Therapeutics ведуть клінічні дослідження сенолітиків для застосування в легеневій, нирковій та м’язовій системах.

Приклад 5: Сенація та мікросередовище пухлини

Сенація, викликана хіміотерапією або радіацією на дозах, що не є летальними, має парадоксальний ефект — про- і анти-пухлинний. Якщо клітини-сенатори пухлини не видаляються, SASP (VEGF, IL-6, IL-8, MMPs, EGF) може сприяти росту сусідніх пухлин, що уникли сенації — потенційно прискорюючи рецидив. CDK4/6 інгібітори (використовувані клінічно в ER+ раку грудей) викликають сенацію в пухлинних клітинах, пригнічуючи SASP через залежність від CDK4/6 трансляції генів SASP. Послідовне застосування сенолітичної терапії після стандартного лікування хіміотерапією може усунути клітини-сенатори пухлини до того, як вони сприяють рецидиву SASP — стратегія «Один-Два Удари», яка була валідована *in vitro* і зараз оцінюється клінічно в послідовних комбінованих випробуваннях.

Приклад 6: Прогероїдні синдроми та прискорене старіння

Прогероїдні синдроми — рідкісні генетичні захворювання, що викликають передчасне старіння — прискорену клітинну сенацію через нестабільність геному або дефекти біології телумера, що призводить до атеросклерозу та смерті від інфаркту міокарда або інсульту у середньому 14,6 років. Прогерін (LMNA c.1824C>T, викликає сенацію), що утворюється в результаті обрізання локусу ламіна A, викликає нестабільність ядра, що погіршує ремонт ДНК, викликає масову передчасну сенацію та атеросклероз — смерть від інфаркту міокарда або інсульту. Лікування Лонфанібом (FTI-трансферазний інгібітор) — затверджене для лікування РПС у 2020 році — зменшує накопичення прогеріну, покращуючи захворювання судин та збільшуючи тривалість життя. Синдром Вернера (WRN геліказа мутації) — синдром з передчасним старінням у дорослому віці з прискореною реплікативною сенацією — розкриває функцію гелікази ДНК в уповільненні сенації. Ці моногенні моделі прискореного старіння підтверджують зв’язок між підтримкою геному, сенацією та старінням-пов'язаними захворюваннями.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте Cell Senescence & SASP Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cell Senescence & SASP Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.