Одноклеточные организмы, как и многоклеточные, стареют. Они интенсивно исследуются из-за подобности их старения клеточному старению многоклеточных организмов. Модельным организмом для изучения клеточного старения являются почкующиеся дрожжи, (Saccharomyces cerevisiae), которые, как эукариоты, обладают биохимическими процессами, подобными биохимическим процессам стареющих клеток высших животных и растений. Также исследования проводились и среди некоторых бактерий, в частности кишечной палочки и Caulobacter crescentus.
На одноклеточных организмах были исследованы две разные формы процессов старения[1]. Первая — старение, специфичное для материнской клетки при клеточном делении, при котором материнская клетка стареет, тогда как дочерняя клетка при каждом делении обнуляет клеточные часы (омолаживается). Старение материнской клетки проявляется в постепенном замедлении клеточного цикла, после чего клетка теряет способность к новым делениям, так называемое репликативное старение. Этот процесс был сначала найден у клеток с асимметричным делением, то есть в почкующихся дрожжах, а потом у асимметричной бактерии Caulobacter crescentus, где определение материнской клетки очевидно[2]. Позднее наблюдения за делением клеток позволили определить материнскую клетку и в организме с симметричным делением — бактерии E. coli, где материнской клеткой является клетка со «старым концом», хотя позднее были найдены и незначительные морфологические различия между материнскими и дочерними клетками[3].
Возраст в данном случае определяется по числу делений, через которые прошла клетка, а не календарным временем. Типичная средняя продолжительность жизни лабораторных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) дикого типа составляет около 25 поколений. Функция распределения продолжительности жизни индивидуальных клеток следует закону Гомпертца, также, как и продолжительность жизни высших животных[1]. У бактерии Caulobacter crescentus средняя продолжительность жизни составляет от 100 до 130 делений[2].
Второй процесс старения, также найденный в этих трёх модельных организмах, — хронологическое старение клеток, больше известный как условное старение (в связи с тем, что этот процесс проявляется только в определённых условиях окружающей среды). Этот процесс проявляется в постепенной деградации и потере жизнеспособности клеток на протяжении стационарной фазы[1,4,5].
На примере дрожжей было обнаружено, что, подобно процессу репликативного старения, специфичного для материнских клеток, условное старение является как процессом износа внутриклеточных структур, так и генетической программы. Например, клеточная стенка в стационарной фазе проходит через ряд генетически запрограммированных структурных изменений с целью повышения жизнеспособности и продолжительности жизни организма. Но, в конце концов клетка стареет и умирает[1].
1. Peter Laun et al. (2006). «Yeast as a model for chronolohical and reproductive aging – A comparison». experimental gerontology 41: 1208–1212.
2. Martin Ackerman et al. (2003). «Senescence in a Bacterium with Asymmetric Division». Science 300.
3. Eric J. Stewart et al. (2005). «Aging and Death in an Organism That Reproduces by Morphologically Symmetric Division». PLoS Biology 3 (2): e45.
4. Dukan S, Nyström T (1998). «Bacterial senescence: stasis results in increased and differential oxidation of cytoplasmic proteins leading to developmental induction of the heat shock regulon.». Genes and Development 12: 3431–3441.
5. Thomas Nystroem (2005). «Bacterial senescence, Programmed Death, and Premeditated sterility». ASM News (8 ): 363.Генетика старения бактерий
...Намного меньше известно о старении бактерий, несмотря на их более простую структуру и удобство наблюдения. Среди бактерий лучше известны изменения, которые происходят во время условного старения (хронологического старения в стационарной фазе) бактерии E. coli [Thomas Nystrom (2003). «Conditional senescensein bacteria:death of the immortals.». Molecular Microbiology 48: 17–23].
Большая часть генетически контролируемых изменений во время условного старения E. coli происходит из-за изменения в уровне экспрессии сигма-фактора σ
s, который отвечает за экспрессию генов, связанных с ремонтом повреждённых белков, аналогично гену C. elegans daf-16 и геном дрожжей RAS/PKA. σ
s конкурирует с другим сигма-фактором, σ
70, который отвечает за рост бактерии, и никогда не экспрессируется в «полную силу». Таким образом, бактерия продолжает ограниченный рост даже в условиях стационарной фазы, которая даёт ей возможность быстро возобновить рост, если условия изменяются, но недостатком является невозможность σs справиться со значительным оксидативным стрессом. Таким образом, остаточная активность σ
70 в стационарной фазе является примером так называемой антагонистической плейотропии, типа генетической системы, которая развивается за счёт позитивного эффекта на одних стадиях жизни, несмотря на негативный эффект на других, более редких, стадиях.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Старение (биология)Контроль продолжительности жизни у грибов и других организмов. Концепция весов ЖОБ, Том 72, 2011. № 4, июль-август. Стр. 243-268
...Для построения концептуальной модели старения авторы статьи уточняют некоторые понятия классической терминологии и вводят новые. Так, они отказываются от альтернативного выбора между незапрограммированным и запрограммированным старением. Напротив, считают они, старение сочетает в себе случайностные процессы с запрограммированными, и между ними существуют градации, выражающиеся в степени генетической запрограммированности.
Кроме того вводится понятие сопряженного и несопряженного старения. В случае сопряженного старения клетки колонии/ткани стареют относительно синхронно, что приводит к общему старению структуры. При несопряженном старении быстрее стареют и гибнут отдельные клетки, нередко оздоравливая и продлевая жизнь оставшихся клеток и соответственно всей колонии/ткани. Такое старение становится антистарением для структуры в целом.
Предлагается выделить три базисных механизма старения/антистарения, общих для практически всех живых организмов и служащих основой для механизмов старения/антистарения следующего межтканевого уровня.
1. Хронологическое старение выражается в том, что с течением времени в клетках накапливаются нарушенные биомолекулы и уменьшается количество жизненно необходимых молекул, например, макроэргов, (молекул, содержащих богатые энергией, или макроэргические, связи, в т.ч. АТФ). Такое старение свойственно дрожжам в стационарной фазе и постмитотическим тканям. Накапливающиеся повреждения и дефицит авторы называют факторами данного механизма. Сам же механизм является сопряженным и слабо запрограммированным. Многие внутриклеточные нарушения связаны с окислением активными формами кислорода (АФК), продуцируемыми в митохондриях, поэтому дисфункция митохондрий считается центральным фактором старения.
2. В основе репликативного старения лежит ассиметричное деление клеток, так называемый ассиметричный цитокинез. Смысл его в противодействии механизму хронологическому: одна из делящихся клеток, материнская, забирает в себя дефектные структуры (факторы, хронологически накопившиеся), старится сама, омолаживая при этом вторую клетку. Достигается это разницей клеточных размеров или односторонним транспортом факторов старения при делении – фильтрацией. За неравномерное распределение факторов между клетками в значительной мере отвечает материнская центросома, или клеточный центр,, которая стягивает к себе поврежденные окислением карбонилированные белки. У дрожжей в ассиметричном распределении играют роль также сиртуин Sir2 и шаперон Hsp 104, т.к. делеции по генам этих белков приводят к сбою в фильтрации. Материнская клетка не только удерживает поврежденные элементы, но и отдает дочерней значительную часть своей защиты: антиоксидантные ферменты (каталаза Ctt1), которые транспортируются приоритетно в «чистую» дочернюю клетку.
Репликативное старение, как правило, носит несопряженный характер: одни клетки, старея, омолаживают других. Так, дрожжевые материнские клетки, давшие жизнь свыше 10 дочерним клеткам, несут примерно в 4 раза больше дефектных белков, чем последние. Поэтому здесь можно говорить о слабо запрограммированном и выгодном для популяции суициде материнских клеток. Реже репликативное старение бывает псевдосопряженным: например, у P. Anserine материнской является верхняя клетка гифы и, старея, она останавливает рост всей колонии.
3. Клеточный суицид разграничивают на автофагию и апоптоз. Автофагия – саморастворение живых клеток под действием их собственных гидролитических ферментов – чаще выполняет функцию чистки клетки, чем приводит ее к гибели. Апоптоз, процесс запрограммированной самоликвидации на клеточном уровне, обычно запускается выходом из митохондрий белка цитохрома с, служащего сигналом для начала каскада химических реакций с участием каспаз и других ферментов, расщепляющих белки, хроматин, прочие структуры, и приводящих быстрой гибели клетки. Если апоптоз и автофагия действуют несопряженно, то они омолаживают колонию или ткань, уничтожая старые, больные, мутантные клетки и освобождая ресурсы для молодых. Апоптоз также может быть запущен внеклеточными сигналами, например, гормонами. В этом случае клетки гибнут не в одиночку, а сопряженно – группами и органами вплоть до целых организмов. Впрочем, массовая гибель клеток случается не только при нарушениях, но и при нормальном развитии. Например, человеческая ладонь изначально закладывается как лопаточка, а потом находящиеся между пальцами клетки апоптотически умирают, и пальцы разделяются. При нарушении этого эмбриологического процесса развиваются люди с перепонками между пальцами.
Как отдельный вид апоптоза в статье рассматривается замыкающий апоптоз. Авторы относят его к дополнительным механизмам старения.
Дополнительные механизмы старения в большинстве случаев видоспецифичны. Они дублируют базисные, повышая вероятность «своевременной» смерти клеток. Замыкающий апоптоз – наиболее универсальный из них, он является «контрольным выстрелом» в старую клетку и почти не зависит от внеклеточных условий.
http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=341Ученые университета Готенбурга (Швеция), работающие под руководством профессора Томаса Нистрёма (Thomas Nystr?m), расшифровали механизм, позволяющий видавшим виды материнским клеткам отпочковывать от себя дочерние, не отягощенные грузом поврежденных белков, неизбежно накапливающихся в каждой клетке в процессе ее жизнедеятельности.
Оказывается, дочерние клетки используют функционирующие по принципу конвейера структуры, обеспечивающие перемещение всех морально и физически устаревших белковых молекул в материнскую клетку. В результате, после полного отделения от материнской клетки, дочерняя клетка оказывается полностью свободной от ассоциированных с возрастом повреждений.
Ранее считалось, что эти структуры, сформированные волокнами из белка актина, обеспечивают одностороннее движение белков и клеточных органелл из материнской клетки в дочернюю. Авторы показали, что возможно и обратное движение, обеспечивающее транспортировку поврежденных белков в материнскую клетку, которая в данном случае служит своего рода «мусорным контейнером».
Young cells use mother cell as trash bin(На видеоролике – ярко-зеленые белковые агрегаты транспортируются из молодой клетки в более крупную материнскую).
В своей работе авторы продемонстрировали, что эта транспортировка осуществляется за счет механических сил сокращения актиновых волокон. Они также установили, что правильное формирование этих волокон невозможно без нормального функционирования гена SIR2 и его белкового продукта, вовлеченного в процессы старения организма. Более ранние работы на дрожжах, червях, дрозофилах и рыбах показали, что повышение активности гена SIR2 способно значительно увеличить продолжительность жизни организма, а его повреждения ускоряют процессы старения.
Профессор Нистрём считает, что знание механизма, используемого дочерними клетками для транспортировки поврежденных белков в материнские клетки, может лечь в основу методов лечения ассоциированных с возрастом заболеваний, вызываемых накоплением обладающих токсичными свойствами поврежденных белков. В то же время он подчеркивает, что на сегодняшний день еще совершенно неясно, каким образом эту информацию можно применить к млекопитающим. Он также отмечает, что на следующем этапе работы ученые должны выяснить, пользуются ли клетки млекопитающих аналогичным механизмом при формировании половых и стволовых клеток.
http://www.vechnayamolodost.ru/pages/drugienaukiozhizni/molklotgrbema4d.htmlСтатья:
Beidong Liu et al. «The Polarisome Is Required for Segregation and Retrograde Transport of Protein Aggregates»Cell, Volume 140, Issue 2, 257-267, 22 January 2010
