Replikacja DNA (Rys.1) jest procesem biologicznym, podczas którego tworzone się wierne kopie łańcuchów kwasu dezoksynukleinowego (DNA). Proces ten jest podstawą dziedziczenia, ale przyczynia się również do postępowania starzenia komórkowego (CHAMARY, 2009).

Replikacja rozpoczyna się w miejscu występowania starterów RNA i ulega jej zarówno nić wiodąca jak i opóźniona tworząc nici potomne. Sposób replikowania nici macierzystych nie jest jednakowy. Jako że polimeraza DNA działa wyłącznie w kierunku 5' → 3' synteza nici potomnej na matrycy nici wiodącej odbywa się w sposób ciągły, zaś replikacja nić potomnej na matrycy nici opóźnionej przebiega przy pomocy enzymu ligazy, która łączy tzw. fragmenty Okazaki, czyli krótkie fragmenty DNA powstałe w procesie replikacji nici opóźnionej (CHAMARY, 2009; SADAKIERSKA-CHUDY, 2004). Polimeraza DNA umożliwia wydłużanie starterów RNA. Gdy synteza fragmentów Okazaki dobiega końca, startery RNA zostają usunięte zaś powstałe w ten sposób luki uzupełniane są przy użyciu enzymów - ligaz. Ligazy mają zdolność wydłużania końców 3' fragmentów Okazaki. Problem pojawia się gdy zbliżamy się do końca chromosomu. Usunięciu ulega ostatni starter RNA nici opóźnionej, a co za tym idzie, nie pozostaje nam matryca mogąca posłużyć do syntezy kolejnego fragmentu Okazaki. Po wycięciu ostatniego startera RNA została niewypełniona luka co skutkuje skracaniem końca 5' telomeru z każdym kolejnym podziałem (KOWALSKA, 2006).

Hayflick udowodnił, że niepełna synteza nici potomnej na końcu 3' nici macierzystej w procesie replikacji związana jest z uszkodzeniem działalności polimerazy DNA (OSTERHAGE i FRIEDMAN, 2009). Jest to enzym odpowiedzialny za syntezę DNA. Sekwencje DNA pozostają nieosłonięte. Sekwencje te kodują ważne procesy organizmu, które nie są już w żaden sposób chronione, więc komórka otrzymuje sygnał konieczności wyjścia z cyklu podziałowego (OSTERHAGE, FRIEDMAN, 2009; MOSKOLEWSKI, 2010).

Teoria przyspieszonego starzenia komórkowego – SIPS

Na starzenie komórkowe wpływ mają różnego rodzaju uszkodzenia zachodzących w komórce. Zmiany te akumulują się, co jest wynikiem obniżenia sprawności procesów naprawczych, w ostateczności prowadzących do nieodwracalnego zatrzymania cyklu komórkowego. Obok teorii rodnikowej oraz telomerowej (określanej również starzeniem replikacyjnym) wyróżniamy trzeci typ starzenia komórkowego – starzenie przyspieszone SIPS (ang. Stress-in-duced premature senescence). Ten rodzaj starzenia jest niezależny od zmiany długości telomerów (BIELAK-ŻMIJEWSKA, 2014; MIRANOWICZ-DZIERŻAWSKA, 2015). Przebieg tego rodzaju starzenia jest zdecydowanie szybszy niż starzenie replikacyjne (teoria telomerowa), zaś czynnikami powodującymi występowanie SIPS są m.in. onkogeny (czyli geny, ulegające ekspresji, a tym samym powodujące przekształcenie zdrowych, prawidłowych komórek w komórki nowotworowe) – starzenie OIS (ang. Onkogene Induced Senescence), czynniki uszkadzające DNA (BIELAK-ŻMIJEWSKA, 2014), a także stres oksydacyjny, który ma również wpływ na zjawisko skracania telomerów, co zostało opisane w pierwszej części pracy (VON ZGLICKI, 2002). Starzenie komórek obserwować można zarówno w komórkach prawidłowych, gdzie czynnikiem starzenia są zawiązki powodujące powstanie pęknięć obu nici DNA (BIELAK-ŻMIJEWSKA, 2014), a także w komórkach nowotworowych, gdzie czynnikiem tym jest np. chemioterapia (ALSTER, 2014).

Jeszcze do niedawna uważano, że pęknięcie nici DNA w obszarze nietelomerowym przyspiesza starzenie SIPS. W 2012 r. udowodniono, że proces starzenia indukowany jest przez uszkodzenia powstałe w odcinkach telomerowych. Wszelkie pęknięcia w odcinkach nietelomerowych naprawiane są automatycznie zaś te powstałe w telomerach nie są dostępne dla systemów naprawczych (BIELAK-ŻMIJEWSKA, 2014). Uszkodzenia DNA powodują aktywację DDR (ang. DNA demage response) czyli odpowiedzi „naprawczej”, która wykorzystuje białko p53. Białko to powoduje aktywację białka p21, będącego inhibitorem kinaz białkowych – CKS (kinazy zależne od cyklin). Aktywność CKS wpływa na regulację podziałów komórkowych, a zatrzymanie ich aktywności powoduje zahamowanie podziałów (D’ADDA DI FAGAGNA F., 2008; ŚLIWIŃSKA, 2009). Białko p53 wpływa na zahamowanie podziałów i naprawę uszkodzeń w tym czasie. Decyduje również o przekierowaniu komórki na szlak apoptozy oraz na szlak starzenia (jeśli uszkodzenia DNA obejmują odcinki telomerowe) (SOSIŃSKA, 2016; ŚLIWIŃSKA, 2009). Uszkodzenia kodu genetycznego są bez wątpienia skutkiem starzenia komórkowego, a ich poziom zwiększa się wraz z wiekiem. Elementem niezbędnym w procesach starzenia komórki jest szlak DDR i jego aktywacja, a także białko p53 (BIELAK-ŻMIJEWSKA, 2014).

Za osoby, które stworzyły podwaliny gerentologii (nauki o starzeniu) można uznać Leonarda Hayflick’a oraz Paula Moorhead’a (STRZYŻEWSKI, 2007). Naukowcy ci dowiedli, że komórki somatyczne człowieka mogą ulegać podziałom ograniczoną ilość razy, obalając tym samym założenia Carrel’a i Ebeling’a, którzy stwierdzili, iż fibroblasty (wyizolowane z serc kurzych zarodków) są w stanie proliferować nieskończoną ilość razy przy jednoczesnym dodawaniu wyciągu z kurzych zarodków (STRZYŻEWSKI, 2007; MIKUŁA-PIETRASIK, 2015). Hayflick i Moorhead zasugerowali, że hodowla fibroblastów (komórek tkanki łącznej) okresowo odnawiała się poprzez dodawanie żywych komórek wyciągu zarodkowego. Stwierdzenie to powstało podczas badań jakie prowadzili na komórkach fibroblastów płucnych. Rozróżnili oni dwie linie komórkowe o odmiennym zestawie chromosomów – linię diploidalną i heteroploidalną. Zaobserwowali, że komórki heteroploidalne mają zdolność do nieograniczonych podziałów, a ich przeszczepienie do biorcy powoduje utworzenie guzów nowotworowych w przeciwieństwie do komórek diploidalnych, które nie wykazują zdolność do licznych podziałów in vitro i nie powodują powstawanie guzów po przeszczepieniu do komórek biorcy (MOSKOLEWSKI, 2010; SIMON, 2011). 

Na postawie powyższych badań powstało pojęcie – limit Hayflicka. Jest to zagadnienie charakteryzujące zdolność komórek somatycznych do ściśle określonej liczby podziałów (SOBBOTA, 2009; SOSIŃSKA, 2016). Hayflick wykazał doświadczalnie, iż poprawnie rozwijające się komórki cechują się trzema fazami wzrostu. Pierwsza faza rozpoczyna się odizolowaniem komórek i kończy się powstaniem fazy zlewności pierwotnej hodowli. Wówczas komórki zaprzestają podziałów co ma związek z kontaktowym zatrzymaniem wzrostu. Gdy komórki odczuwają obecność pobliskich komórek hamują tempo proliferacji (namnażania) czego efektem jest wydłużenie czasu jaki konieczny jest do kolonizacji płytki przez komórki. Fazę drugą osiąga się poprzez podzielenie populacji rodzicielskiej na mniejsze populacje potomne. Wynikiem tego zabiegu jest ponowne wznowienie podziałów mitotycznych komórek do momentu kontaktowego zatrzymania wzrostu. Trzecia faza polega na całkowitym zatrzymaniu proliferacji komórek. Na proces ten w żaden sposób nie wpływa okres przebywania komórek w hodowli, gdyż nie są one już zdolne do podziałów. Tego typu komórki nazwano replikacyjnie starymi (HAYFLICK i MOORHEAD, 1961; SOBBOTA, 2009; SOSIŃSKA, 2016).

Opisane powyżej procesy to jeden z rodzajów starzenia komórkowego nazwane starzeniem replikacyjnym. Dotyczy on wszystkich komórek somatycznych i jest wynikiem utraty zdolności komórek do dalszych podziałów (VON ZGLICKI I IN., 2003). Zjawisko to jest związane ze skracaniem końcowych odcinków chromosomów. Warto podkreślić, iż telomery uznane są za replikometry komórek tzn. liczą podziały komórkowe (MIKUŁA-PIETRASIK, 2015).

Warunkiem występowania procesów starzenia komórkowego oraz starzenia przyspieszonego są inne, odmienne czynniki, aktywujące te same elementy wadliwego DNA. W przypadku starzenia replikacyjnego mamy do czynienia z sygnałem ze strony skróconych telomerów, zaś w przypadku starzenia przyspieszonego – pęknięcie podwójnej nici DNA w obszarze telomerowym (ŻMIJEWSKA I IN., 2014).

Podsumowanie

Starzenie się komórek pomimo postawionych wielu teorii wciąż jest zagadką. Szukanie rozwiązania problemu opóźnienia starości jest bardzo popularne wśród naukowców jednak jeszcze długa droga do osiągnięcia stanu długowieczności. W chwili obecnej spotykamy się ze zjawiskiem starzejących się społeczeństw, dlatego też same poszukiwania przyczyn starzenia się komórek mogą pomóc w znalezieniu medykamentów walczących z chorobami  pojawiającymi się w podeszłym wieku.

Autor:

Kinga Nakonieczna

Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej

Wydział Biologii i Biotechnologii

ul. Akademicka 19

e-mail: kinga.nakonieczna@onet.pl