Starzenie się organizmu

Starzenie się organizmu

Wojciech Kruszyński

Wojciech Kruszyński

Katedra Genetyki i Ogólnej

Katedra Genetyki i Ogólnej

Hodowli Zwierząt UP we

Hodowli Zwierząt UP we

Wrocławiu

Wrocławiu

Co to jest starzenie się organizmu?

Co to jest starzenie się organizmu?



Od momentu urodzenia wkraczamy
nieuchronnie w etap

starzenia się organizmu

.



Zasadniczą cechą tego procesu jest

stopniowe,

postępujące i nieodwracalne zmniejszanie
zdolności organizmu do zachowania równowagi
środowiska wewnętrznego

(utrzymywania

homeostazy) w odpowiedzi na czynniki
środowiska zewnętrznego - warunków i trybu
życia

.



Procesy starzenia się organizmu dotyczą
większości (o ile nie wszystkich) organizmów
rozmnażających się płciowo

Etiologia

Etiologia



Organizmy żywe – otwarte systemy z punktu widzenia

Organizmy żywe – otwarte systemy z punktu widzenia

termodynamiki

termodynamiki



Wykorzystują energię i materię pochodzącą z

Wykorzystują energię i materię pochodzącą z

pokarmu (a rośliny również energię słoneczną) aby

pokarmu (a rośliny również energię słoneczną) aby

zapobiec

zapobiec

entropii

entropii

(stopień nieuporządkowania

(stopień nieuporządkowania

układu), która rośnie w miarę upływu czasu z powodu

układu), która rośnie w miarę upływu czasu z powodu

utraty wewnątrztkankowej informacji pozycyjnej,

utraty wewnątrztkankowej informacji pozycyjnej,

regulującej przeznaczenie i funkcje komórek

regulującej przeznaczenie i funkcje komórek



Utrzymanie uporządkowania skomplikowanego

Utrzymanie uporządkowania skomplikowanego

układu, jakim jest dorosły organizm – bardzo trudne

układu, jakim jest dorosły organizm – bardzo trudne



Zdolność wykorzystywania materii i energii do

Zdolność wykorzystywania materii i energii do

utrzymania stanu uporządkowania stopniowo maleje

utrzymania stanu uporządkowania stopniowo maleje

z wiekiem

z wiekiem



Dlaczego procesy ewolucyjne nie wyeliminowały

Dlaczego procesy ewolucyjne nie wyeliminowały

starzenia się organizmu?

starzenia się organizmu?

Etiologia

Etiologia



Czynniki zewnętrze – styl życia (np. robotnice pszczoły

Czynniki zewnętrze – styl życia (np. robotnice pszczoły

miodnej żyją 2-8 miesięcy, a królowa do 5 lat; liczba

miodnej żyją 2-8 miesięcy, a królowa do 5 lat; liczba

kalorii dostarczanych z pokarmem – mniej kalorii –

kalorii dostarczanych z pokarmem – mniej kalorii –

dłuższe życie, resweratol – polifenol, uszkodzenia

dłuższe życie, resweratol – polifenol, uszkodzenia

chemiczne – biopolimery takie jak białka i DNA

chemiczne – biopolimery takie jak białka i DNA

uszkadzane są przez tlen (wolne rodniki) oraz jony

uszkadzane są przez tlen (wolne rodniki) oraz jony

metali (np. Cu i Fe – choroba Wilsona) i cukry (glukoza

metali (np. Cu i Fe – choroba Wilsona) i cukry (glukoza

i fruktoza reagują z pewnymi aminokwasami, np. lizyną

i fruktoza reagują z pewnymi aminokwasami, np. lizyną

i argininą oraz zasadami azotowymi np. guaniną co

i argininą oraz zasadami azotowymi np. guaniną co

prowadzi do rearanżacji białek strukturalnych i DNA)

prowadzi do rearanżacji białek strukturalnych i DNA)



Czynniki wewnętrzne – uwarunkowania genetyczne, a

Czynniki wewnętrzne – uwarunkowania genetyczne, a

nie środowiskowe są głównym czynnikiem dużej

nie środowiskowe są głównym czynnikiem dużej

zmienności szybkości procesów starzenia się i długości

zmienności szybkości procesów starzenia się i długości

życia różnych organizmów

życia różnych organizmów



Interakcja genotyp-środowisko

Interakcja genotyp-środowisko

Mechanizmy procesu starzenia się –

Mechanizmy procesu starzenia się –

teorie

teorie

Dwie grupy teorii:

Dwie grupy teorii:



Zaprogramowane starzenie się organizmów i

Zaprogramowane starzenie się organizmów i

komórek

komórek

– zegar biologiczny reguluje procesy

– zegar biologiczny reguluje procesy

starzenia się poprzez zmianę ekspresji genów

starzenia się poprzez zmianę ekspresji genów

odpowiedzialnych za utrzymanie funkcji organizmu,

odpowiedzialnych za utrzymanie funkcji organizmu,

procesy naprawcze i obronne w różnych okresach

procesy naprawcze i obronne w różnych okresach

życia

życia



Starzenie się organizmu w wyniku nagromadzenia

Starzenie się organizmu w wyniku nagromadzenia

błędów

błędów

– niekorzystne wpływy środowiska

– niekorzystne wpływy środowiska

zewnętrznego indukują uszkodzenia na różnych

zewnętrznego indukują uszkodzenia na różnych

poziomach funkcjonowania organizmu.

poziomach funkcjonowania organizmu.

Gromadzenie się uszkodzeń powoduje starzenie się

Gromadzenie się uszkodzeń powoduje starzenie się

(np. uszkodzenia DNA – mutacje, wolne rodniki, itp.)

(np. uszkodzenia DNA – mutacje, wolne rodniki, itp.)

Genetyczne mechanizmy procesu starzenia się

Genetyczne mechanizmy procesu starzenia się

– hipotezy

– hipotezy



Gromadzenie się mutacji w materiale genetycznym

(mutation-accumulation mechanisms,

Medawar, 1952)



Plejotropia antagonistyczna

Plejotropia antagonistyczna

(

(

Antagonistic pleiotropy,

Antagonistic pleiotropy,

G.C.Williams, 1957)

G.C.Williams, 1957)



„

„

Zdolności rezerwowych” (Reserve capacity, Weinstein i

Zdolności rezerwowych” (Reserve capacity, Weinstein i

Ciszek, 2002)

Ciszek, 2002)

– zakłada równowagę pomiędzy procesami

– zakłada równowagę pomiędzy procesami

supresji nowotworów a procesami naprawczymi tkanek

supresji nowotworów a procesami naprawczymi tkanek

poprzez:

poprzez:

1.

1.

Ograniczenie proliferacji komórek jako mechanizm

Ograniczenie proliferacji komórek jako mechanizm

zapobiegawczy transformacji nowotworowej (kręgowce)

zapobiegawczy transformacji nowotworowej (kręgowce)

2.

2.

Postępująca degradacja funkcji komórek wraz z ich

Postępująca degradacja funkcji komórek wraz z ich

starzeniem się

starzeniem się

3.

3.

Powyższe zmiany są manifestacją ewolucyjnie

Powyższe zmiany są manifestacją ewolucyjnie

ukształtowanej plejotropii antagonistycznej, gdzie

ukształtowanej plejotropii antagonistycznej, gdzie

zewnętrzne czynniki śmiertelności faworyzują gatunkowo-

zewnętrzne czynniki śmiertelności faworyzują gatunkowo-

specyficzną równowagę pomiędzy procesami supresji

specyficzną równowagę pomiędzy procesami supresji

nowotworów a procesami naprawczymi

nowotworów a procesami naprawczymi

Genetyczne mechanizmy procesu starzenia się

Genetyczne mechanizmy procesu starzenia się

– hipotezy

– hipotezy

c.d.

c.d.



Równowaga pomiędzy procesami supresji

Równowaga pomiędzy procesami supresji

nowotworów a procesami naprawczymi tkanek

nowotworów a procesami naprawczymi tkanek

powoduje, że selekcja naturalna wpływa na długość

powoduje, że selekcja naturalna wpływa na długość

telomerów – dłuższe telomery poprawiają zdolności

telomerów – dłuższe telomery poprawiają zdolności

naprawcze komórki, krótsze telomery zwiększają

naprawcze komórki, krótsze telomery zwiększają

oporność na nowotwory

oporność na nowotwory



W środowiskach, w których zewnętrznie indukowana

W środowiskach, w których zewnętrznie indukowana

śmiertelność jest wysoka, selekcja naturalna

śmiertelność jest wysoka, selekcja naturalna

przeciwko starzeniu się jest słaba (niewiele osobników

przeciwko starzeniu się jest słaba (niewiele osobników

dożywa starości ). Telomery się skracają – wzrasta

dożywa starości ). Telomery się skracają – wzrasta

oporność na nowotwory. Przeciwnie, im silniejsza

oporność na nowotwory. Przeciwnie, im silniejsza

selekcja przeciwko starzeniu się, tym dłuższe telomery

selekcja przeciwko starzeniu się, tym dłuższe telomery

i większe zdolności naprawcze komórek, powolniejsze

i większe zdolności naprawcze komórek, powolniejsze

starzenie się i zwiększone ryzyko raka

starzenie się i zwiększone ryzyko raka

Genetyczne mechanizmy procesu starzenia się

Genetyczne mechanizmy procesu starzenia się

– hipotezy

– hipotezy



Głównym założeniem ewolucyjnej teorii starzenia

Głównym założeniem ewolucyjnej teorii starzenia

się organizmów jest występowanie zmienności

się organizmów jest występowanie zmienności

genetycznej warunkującej szybkość tych

genetycznej warunkującej szybkość tych

procesów:

procesów:

1.

1.

Szybkość starzenia się jest mniejsza u

Szybkość starzenia się jest mniejsza u

organizmów, u których procesy rozmnażania są

organizmów, u których procesy rozmnażania są

intensywne aż do późnej dojrzałości (selekcja

intensywne aż do późnej dojrzałości (selekcja

naturalna faworyzuje osobniki posiadające geny

naturalna faworyzuje osobniki posiadające geny

korzystne w późniejszym okresie życia)

korzystne w późniejszym okresie życia)

2.

2.

Organizmy narażone na większe

Organizmy narażone na większe

niebezpieczeństwo starzeją się szybciej (np. ptaki

niebezpieczeństwo starzeją się szybciej (np. ptaki

latające i nieloty).

latające i nieloty).

Telomery

Telomery



Zakończenia chromosomów

Zakończenia chromosomów



Nie zawierają genów

Nie zawierają genów



Zabezpieczają materiał genetyczny przed utratą podczas

Zabezpieczają materiał genetyczny przed utratą podczas

podziału komórki

podziału komórki



Zbudowane z 1000 – 2000 powtarzających się sekwencji –

Zbudowane z 1000 – 2000 powtarzających się sekwencji –

TTAGGG

TTAGGG

, tworzących podwójny łańcuch DNA, za wyjątkiem

, tworzących podwójny łańcuch DNA, za wyjątkiem

jego końcowych odcinków, które są zbudowane z

jego końcowych odcinków, które są zbudowane z

pojedynczego łańcucha DNA

pojedynczego łańcucha DNA



Wiele telomerów (w tym ludzkie) występuje w formie

Wiele telomerów (w tym ludzkie) występuje w formie

t-pętli

t-pętli

(t-loop),

(t-loop),

w której jedno-łańcuchowe zakończenie telomeru

w której jedno-łańcuchowe zakończenie telomeru

znajduje się wewnątrz ulokowanej wewnętrznie dwu-

znajduje się wewnątrz ulokowanej wewnętrznie dwu-

łańcuchowj części

łańcuchowj części



Starzenie się komórki (zanik zdolności do proliferacji) może

Starzenie się komórki (zanik zdolności do proliferacji) może

być zapoczątkowane rozplątywaniem się t-pętli,

być zapoczątkowane rozplątywaniem się t-pętli,

powodowanym uszkodzeniem DNA lub zbyt krótkimi

powodowanym uszkodzeniem DNA lub zbyt krótkimi

telomerami

telomerami

Telomery

Telomery

Telomery

Telomery

Telomery

Telomery

Telomery i starzenie się

Telomery i starzenie się



Limit Hayflicka (1961) –

Limit Hayflicka (1961) –

ograniczona zdolność komórki do

ograniczona zdolność komórki do

podziału (gatukowo specyficzna, człowiek 40 – 60

podziału (gatukowo specyficzna, człowiek 40 – 60

podziałów)

podziałów)



Skracanie się telomerów po każdym podziale komórki

Skracanie się telomerów po każdym podziale komórki

determinuje liczbę podziałów (generalnie, im większa

determinuje liczbę podziałów (generalnie, im większa

liczba podziałów komórek danego gatunku, tym dłuższe

liczba podziałów komórek danego gatunku, tym dłuższe

jego życie)

jego życie)



W starszych komórkach (o krótszych telomerach) pojawiają

W starszych komórkach (o krótszych telomerach) pojawiają

się enzymy rozkładające białka strukturalne i funkcjonalne,

się enzymy rozkładające białka strukturalne i funkcjonalne,

produkowane we wcześniejszych fazach życia komórki

produkowane we wcześniejszych fazach życia komórki



Różnice poglądów – niektórzy zgadzają się z telomerową

Różnice poglądów – niektórzy zgadzają się z telomerową

teorią starzenia się (przykład –

teorią starzenia się (przykład –

progeria,

progeria,

osoby cierpiące na

osoby cierpiące na

to schorzenie mają wyjątkowo krótkie telomery), inni

to schorzenie mają wyjątkowo krótkie telomery), inni

twierdzą, że całość procesu starzenia się nie może być

twierdzą, że całość procesu starzenia się nie może być

wyjaśniona tylko skracaniem się telomerów – nie ma

wyjaśniona tylko skracaniem się telomerów – nie ma

związku pomiędzy początkową długością telomerów a

związku pomiędzy początkową długością telomerów a

długością życia)

długością życia)

Telomery i starzenie się

Telomery i starzenie się



Funkcja zabezpieczająca końcówki chromosomów,

Funkcja zabezpieczająca końcówki chromosomów,

pełniona przez telomery może zostać utracona przez

pełniona przez telomery może zostać utracona przez

wydatne skrócenie bądź całkowitą utratę telomerów,

wydatne skrócenie bądź całkowitą utratę telomerów,

albo przez brak lub zmutowanie białka

albo przez brak lub zmutowanie białka

telomerowego. Komórka traktuje chromosomy

telomerowego. Komórka traktuje chromosomy

pozbawione telomerów jako pękniętą nić DNA i

pozbawione telomerów jako pękniętą nić DNA i

uruchamia mechanizmy naprawcze:

uruchamia mechanizmy naprawcze:

1.

1.

Rekombinacja

Rekombinacja

– kopiowanie sekwencji pękniętego

– kopiowanie sekwencji pękniętego

DNA z cząsteczki DNA nie uszkodzonej i „wklejanie”

DNA z cząsteczki DNA nie uszkodzonej i „wklejanie”

jej w miejsce uszkodzone (skróconego telomeru)

jej w miejsce uszkodzone (skróconego telomeru)

2.

2.

Łączenie uszkodzonych końcówek chromosomów

Łączenie uszkodzonych końcówek chromosomów

. W

. W

wielu przypadkach jest to proces efektywnej

wielu przypadkach jest to proces efektywnej

naprawy DNA. Czasami jednak ma to bardzo

naprawy DNA. Czasami jednak ma to bardzo

niekorzystne dla komórki następstwa:

niekorzystne dla komórki następstwa:

Telomery i starzenie się

Telomery i starzenie się



Połączenie dwóch różnych chromosomów –

Połączenie dwóch różnych chromosomów –

zaburzenie prawidłowego ich rozdziału podczas

zaburzenie prawidłowego ich rozdziału podczas

replikacji. Następuje rozdział na dwie nierówne

replikacji. Następuje rozdział na dwie nierówne

części, co skutkuje odziedziczeniem przez komórki

części, co skutkuje odziedziczeniem przez komórki

potomne chromosomu z ubytkiem lub nadmiarem

potomne chromosomu z ubytkiem lub nadmiarem

DNA oraz z brakującym (jedna komórka potomna)

DNA oraz z brakującym (jedna komórka potomna)

telomerem. Ta komórka jest potencjalnym źródłem

telomerem. Ta komórka jest potencjalnym źródłem

kolejnej fuzji chromosomów, co prowadzi do chaosu

kolejnej fuzji chromosomów, co prowadzi do chaosu

i śmierci komórek.

i śmierci komórek.



Uszkodzone końcówki chromosomów powodują

Uszkodzone końcówki chromosomów powodują

często zahamowanie wzrostu komórki, co w

często zahamowanie wzrostu komórki, co w

konsekwencji prowadzi do wstrzymania podziałów.

konsekwencji prowadzi do wstrzymania podziałów.

W wielu komórkach kończy się to

W wielu komórkach kończy się to

apoptozą.

apoptozą.

Telomery i transformacja nowotworowa

Telomery i transformacja nowotworowa



Komórki nowotworowe – „nieśmiertelne”

Komórki nowotworowe – „nieśmiertelne”



90% komórek nowotworowych – aktywna

90% komórek nowotworowych – aktywna

telomeraza

telomeraza

–

–

odwrotna transkryptaza wydłużająca telomery

odwrotna transkryptaza wydłużająca telomery

(powtórzenia TTAGGG)

(powtórzenia TTAGGG)



Inaktywacja telomerazy w większości komórek

Inaktywacja telomerazy w większości komórek

organizmu człowieka – ewolucyjny mechanizm

organizmu człowieka – ewolucyjny mechanizm

redukujący prawdopodobieństwo transformacji

redukujący prawdopodobieństwo transformacji

nowotworowej

nowotworowej



Jednak samo skracanie telomerów może aktywnie

Jednak samo skracanie telomerów może aktywnie

uczestniczyć w zmianach genetycznych leżących u

uczestniczyć w zmianach genetycznych leżących u

podstaw nowotworzenia (telomery z komórek tkanek

podstaw nowotworzenia (telomery z komórek tkanek

w stadiach przednowotworowych są 4 razy krótsze,

w stadiach przednowotworowych są 4 razy krótsze,

niż te z pochodzące ze zdrowej tkanki). Uważa się, że

niż te z pochodzące ze zdrowej tkanki). Uważa się, że

skrócone telomery zwiększają niestabilność genomu,

skrócone telomery zwiększają niestabilność genomu,

a tym samym podatność na raka

a tym samym podatność na raka

Telomery i transformacja nowotworowa

Telomery i transformacja nowotworowa



Aktywacja telomerazy – niezbędna w procesie

Aktywacja telomerazy – niezbędna w procesie

rozwoju nowotworu

rozwoju nowotworu



80 podziałów komórkowych – nowotwór staje się

80 podziałów komórkowych – nowotwór staje się

wykrywalny konwencjonalnymi metodami

wykrywalny konwencjonalnymi metodami



Szansa na powstrzymanie rozwoju nowotworu –

Szansa na powstrzymanie rozwoju nowotworu –

leki anty-telomerazowe. Jednak telomeraza jest

leki anty-telomerazowe. Jednak telomeraza jest

aktywowana gdy telomery są już skrócone – po

aktywowana gdy telomery są już skrócone – po

30 lub większej liczbie podziałów. Nie dział na

30 lub większej liczbie podziałów. Nie dział na

wczesne stada rozwoju nowotworu.

wczesne stada rozwoju nowotworu.



Efekty uboczne? Niektóre komórki zdrowych

Efekty uboczne? Niektóre komórki zdrowych

tkanek aktywują telomerazę (komórki

tkanek aktywują telomerazę (komórki

macierzyste, komórki układu immunologicznego,

macierzyste, komórki układu immunologicznego,

dzielące się komórki naskórka, komórki płciowe).

dzielące się komórki naskórka, komórki płciowe).

Telomery i transformacja nowotworowa

Telomery i transformacja nowotworowa



Telomeraza – w normalnych komórkach znajduje

Telomeraza – w normalnych komórkach znajduje

się w jąderku, daleko od chromosomów.

się w jąderku, daleko od chromosomów.

Wydzielana jest tylko w czasie podziału komórki,

Wydzielana jest tylko w czasie podziału komórki,

po czym natychmiast wraca do jaderka.

po czym natychmiast wraca do jaderka.



W komórkach nowotworowych telomeraza

W komórkach nowotworowych telomeraza

znajduje się w różnych miejscach komórki, co

znajduje się w różnych miejscach komórki, co

świadczy o tym, że mechanizm regulujący

świadczy o tym, że mechanizm regulujący

przemieszczanie się telomerazy pomiędzy

przemieszczanie się telomerazy pomiędzy

jąderkiem i chromosomami został zniszczony lub

jąderkiem i chromosomami został zniszczony lub

rozregulowany.

rozregulowany.

Telomery i transformacja nowotworowa

Telomery i transformacja nowotworowa



Alternatywna ścieżka wydłużania telomerów bez

Alternatywna ścieżka wydłużania telomerów bez

udziału telomerazy – niektóre komórki

udziału telomerazy – niektóre komórki

wykorzystują

wykorzystują

rekombinację

rekombinację

,

,

zachowując jednocześnie zdolność aktywowania

zachowując jednocześnie zdolność aktywowania

telomerazy i jej wykorzystywania w procesie

telomerazy i jej wykorzystywania w procesie

wydłużania telomerów

wydłużania telomerów



Niektóre typy nowotworów (np. mózgu

Niektóre typy nowotworów (np. mózgu

Glioblastoma multiforma

Glioblastoma multiforma

) wykorzystują

) wykorzystują

alternatywną formę wydłużania telomerów,

alternatywną formę wydłużania telomerów,

nazywaną

nazywaną

ALT

ALT

Telomerowy efekt pozycyjny

Telomerowy efekt pozycyjny



Efekt pozycyjny –

Efekt pozycyjny –

„wyciszenie” genów

„wyciszenie” genów

zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie

zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie

telomerów (nie są transkrybowane)

telomerów (nie są transkrybowane)



Powstawanie telomerowych

Powstawanie telomerowych

t-pętli

t-pętli

redukuje

redukuje

zdolność ekspresji genów zlokalizowanych na

zdolność ekspresji genów zlokalizowanych na

końcach chromosomów (drożdże). Jeżeli komórka

końcach chromosomów (drożdże). Jeżeli komórka

posiada geny kodujące białka zapobiegające

posiada geny kodujące białka zapobiegające

tworzeniu się t-pętli, efekt pozycyjny zanika

tworzeniu się t-pętli, efekt pozycyjny zanika



W komórkach człowieka także ten efekt

W komórkach człowieka także ten efekt

występuje. Przykład –

występuje. Przykład –

gen lucyferazy

gen lucyferazy



Efekt pozycyjny – mechanizm komórkowy

Efekt pozycyjny – mechanizm komórkowy

regulujący lub modyfikujący ekspresję niektórych

regulujący lub modyfikujący ekspresję niektórych

genów

genów

Aktywacja telomerazy

Aktywacja telomerazy



Aktywacja telomerazy –

Aktywacja telomerazy –

katalityczna podjednostka

katalityczna podjednostka

hTERT

hTERT

zapoczątkowuje aktywność telomerazy.

zapoczątkowuje aktywność telomerazy.

Proces ten jest zasadniczym dla „nieśmiertelności”

Proces ten jest zasadniczym dla „nieśmiertelności”

komórki i transformacji nowotworowej. Gen

komórki i transformacji nowotworowej. Gen

regulujący aktywność hTERT został

regulujący aktywność hTERT został

zidentyfikowany w 1999 roku.

zidentyfikowany w 1999 roku.



Supresja hTERT – zablokowanie rozwoju komórek

Supresja hTERT – zablokowanie rozwoju komórek

rakowych

rakowych



Białko Est1

Białko Est1

– oddziałuje z telomerazą w czasie

– oddziałuje z telomerazą w czasie

kiedy telomery są odbudowywane, co sugeruje, że

kiedy telomery są odbudowywane, co sugeruje, że

bierze ono udział w aktywacji telomerazy (drożdże)

bierze ono udział w aktywacji telomerazy (drożdże)



Wewnątrzkomórkowe czynniki supresyjne – na

Wewnątrzkomórkowe czynniki supresyjne – na

chromosomie 3 człowieka zlokalizowano gen

chromosomie 3 człowieka zlokalizowano gen

kodujący czynnik blokujący telomerazę

kodujący czynnik blokujący telomerazę