Rola starzenia komórkowego w starzeniu organizmu i chorobach związanych z wiekiem

Rola starzenia komórkowego w starzeniu organizmu i chorobach związanych z wiekiem STRESZCZENIE Rozwój cywilizacji i medycyny zapewnia ludziom coraz dłuższe życie. Aby móc wpływać na proces starzenia i co za tym idzie zmniejszyć ryzyko pojawiania się chorób związanych z wiekiem, należy dobrze poznać jego przyczyny i podłoże molekularne. Od prawie 60 lat wiadomo, że nasze komórki też się starzeją. Opisano szereg znaczników umożliwiających rozpoznanie takiej komórki. Jest coraz więcej danych sugerujących, że to właśnie starzenie komórkowe jest przyczyną starzenia się organizmu. Starzejemy się, bo starzeją się nasze komórki budujące tkanki i narządy. Uważa się również, że starzenie komórkowe przyczynia się do tego, iż ludzie starsi częściej zapadają na pewne typy chorób, nazywane chorobami wieku podeszłego. Rola starzenia komórkowego jest ściśle zależna od wieku organizmu i w okresie młodości pełni nieocenione funkcje w ochronie przed nowotworami i w regeneracji tkanek, a w wieku podeszłym przyczynia się do dysfunkcji tkanek i narządów oraz do pojawiania się chorób związanych z wiekiem. Spowolnienie starzenia stało się więc przedmiotem szeroko zakrojonych badań, ponieważ lepiej zapobiegać starzeniu niż walczyć z pojedynczymi chorobami wieku podeszłego. W tym celu niezbędne jest poznanie drogi, która prowadzi od zmian w pojedynczej komórce do tego, co dzieje się na poziomie całego organizmu. Niedawno starzenie komórkowe zostało zaobserwowane również podczas rozwoju zarodkowego. Obserwacja ta była zaskakująca i pokazała nowe oblicze oraz rolę starzenia komórkowego. Jest ono prawdopodobnie, tak jak apoptoza, niezbędnym elementem służącym do przemodelowania struktur zarodka oraz prawidłowej organogenezy. Starzenie komórkowe wydaje się być uniwersalnym i fundamentalnym procesem, którego funkcja i znaczenie zmienia się wraz z wiekiem. WPROWADZENIE Żyjemy coraz dłużej. Od jakiegoś czasu obserwuje się wzrastającą zarówno średnią jak i maksymalną długość życia. Na początku XX wieku średnia długość życia wynosiła 46 lat. Obecnie wynosi ona 72 i 68 lat, odpowiednio dla kobiet i mężczyzn. Najdłużej żyjąca osoba o udokumentowanej dacie urodzenia przeżyła 122 lata. Od zawsze ludzi fascynowała perspektywa długiego i pozbawionego chorób życia. Poczynione obserwacje zachodzących wraz z upływem lat zmian, dotyczących zarówno ciała jak i umysłu, wraz z rozwojem techniki i wiedzy stworzyły podstawy dla nauki zajmującej się badaniem mechanizmów odpowiedzialnych za starzenie organizmu. Z czasem pojawiało się coraz więcej dowodów na to, że starzeniu organizmu towarzyszą zmiany na poziomie komórkowym. Narodziło się pytanie, czy jest to skutek czy przyczyna starzenia organizmu i czy pojawianie się zmian komórkowych można powiązać z pojawianiem się chorób wieku podeszłego. O tym, że komórki się starzeją wiadomo od lat 60-tych ubiegłego wieku. Wykazali to Leonard Hayflick i Paul Moorhead, udowadniając, że komórki w hodowli, po przejściu określonej liczby podziałów przestają się dzielić, ale nie umierają. Takie komórki o zmienionej morfologii mogą żyć w hodowli nawet długie miesiące. Obiektem badań były ludzkie fibroblasty wyizolowane z płuc. Po raz pierwszy wtedy zasugerowano, że komórki tracą swój potencjał replikacyjny, przestają się dzielić i starzeją się. Od imienia głównego odkrywcy wyczerpanie zdolności replikacyjnych, czyli maksymalna liczba podziałów, nazywane jest limitem Hayflicka [1]. Do czasu ogłoszenia wyników badań Hayflicka panowało przekonanie, że komórki hodowane in vitro są nieśmiertelne. Pogląd ten wynikał z wieloletnich obserwacji zespołu lekarza i biologa Alexisa Carrela. Prowadził on hodowle komórek wyizolowanych z serca kury nieprzerwanie przez 34 lata i twierdził, że komórki potomne pochodzą z pierwotnie założonej hodowli. Jednakże wnikliwa analiza wykazała, że tak długi czas życia komórek był wynikiem błędów metodycznych prowadzących do zasilania hodowli wciąż nowymi komórkami [2]. Anna Bielak-Żmijewska Wioleta Grabowska Dorota Przybylska Pracownia Molekularnych Podstaw Starzenia, Instytut Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN, Warszawa Pracownia Molekularnych Podstaw Starzenia, Instytut Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN, ul. Pasteura 3, 02-093 Warszawa; tel.: (22) 589 22 62, e-mail: a.bielak@nencki.gov.pl Artykuł otrzymano 28 lutego 2014 r. Artykuł zaakceptowano 27 marca 2014 r. Słowa kluczowe: starzenie komórkowe, choroby wieku podeszłego, starzenie organizmu, choroby układu krwionośnego, stan zapalny, markery starzenia Wykaz skrótów: AAASP ang. age-associated arterial secretory phenotype; CESP ang. celltype exclusive senescent phenotype; CVD ang. cardiovascular diseases; DDR ang. DNA damage response; NSPCs ang. neural stem/progenitor cells; OIS ang. oncogene induced senescence; SA-β-gal ang. senescence associated ß-galactosidase; SASP ang. senescence associated secretory phenotype; SIPS ang. stress-induced premature senescence; TERC ang. Telomerase RNA component; TERT ang. Telomerase reverse transcriptase Podziękowania: Badania prowadzone przez autorów niniejszej pracy przeglądowej są finansowane ze środków na naukę przyznanych na realizację projektów w latach 2011-2014 przez: Narodowe Centrum Nauki 2011/01/B/ NZ3/02137 i Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego 0728/B/P01/2011/40 oraz przez Instytut Biologii Doświadczalnej PAN im. Marcelego Nenckiego. Obecnie istnieje szereg dowodów na to, że starzenie komórkowe jest ściśle związanie ze starzeniem organizmu i chorobami wieku podeszłego. Trudno Postępy Biochemii 60 (2) 2014 147

jednoznacznie powiedzieć czy starzejemy się, bo starzeją się nasze komórki czy starzenie komórkowe towarzyszy starzeniu organizmu. Jednakże biorąc pod uwagę fakt, że komórka jest podstawową cegiełką budującą tkanki i narządy można spekulować, że to właśnie zmiany w niej zachodzące pociągają za sobą zmiany na wyższych poziomach organizacyjnych. Starzenie poszczególnych tkanek i narządów najprawdopodobniej spowodowane jest akumulacją komórek starych, które to poprzez zmieniony metabolizm wpływają na komórki sąsiadujące. Wytwarzają specyficzne mikrośrodowisko, a wydzielane białka mogą oddziaływać zarówno w sposób parakrynny jak i autokrynny. Wpływ ten głównie wynika z wydzielania przez stare komórki związków odpowiedzialnych za wytworzenie stanu zapalnego. Prowadzi to do podwyższenia ogólnoustrojowego stanu zapalnego, związanego również z podwyższoną produkcją wolnych rodników. Chroniczny stan zapalny obserwuje się u osób w podeszłym wieku (ang. low grade inflammation) i towarzyszy on w zasadzie wszystkim chorobom wieku podeszłego [3]. RODZAJE STARZENIA KOMÓRKOWEGO I JEGO PRZYCZYNY Możemy wyróżnić dwa rodzaje starzenia komórkowego: replikacyjne i przyspieszone. Starzenie replikacyjne wynika z wyczerpania limitu podziałowego i dotyczy większości typów komórek somatycznych zarówno in vitro jak i in vivo [4]. Jego przyczyną jest skracanie się telomerów (Ryc. 1). Telomery u człowieka składają się z tysięcy powtórzeń motywów zbudowanych z 6 par zasad TTAGGG. U człowieka jest to około 10 kpz, a u myszy ok. 40 kpz [5]. Są one swoistym replikometrem komórki (licznikiem podziałów). Ich funkcja polega na zabezpieczaniu zakończeń chromosomów przed łączeniem się. Dzięki temu w komórce zachowana jest integralność genomu. Uważa się, że do starzenia komórki dochodzi, gdy telomery ulegną skróceniu do połowy swojej wyjściowej długości i dotyczy to większości typów komórek. Ostatnie badania wykazały, że do uruchomienia procesu starzenia komórkowego wystarczy skrócenie do krytycznej długości telomerów na 5 chromosomach [6]. Skracanie telomerów ma miejsce z powodu nierównocennej replikacji obydwu nici DNA, tzw. problemu końca replikacji. Ciągła synteza nowej nici odbywa się zawsze od końca 3 do końca 5. Powstająca na matrycy 3-5 nić wiodąca jest syntetyzowana w całości, natomiast powstająca na matrycy 5-3 nić opóźniona powstaje fragmentarycznie. W celu powielenia nici opóźnionej najpierw dobudowane zostają startery RNA inicjujące proces syntezy DNA, potem miedzy nimi syntetyzowane są tzw. fragmenty Okazaki. Następnie startery są usuwane, a fragmenty Okazaki łączone, ale końcowy fragment nici opóźnionej zawsze pozostaje krótszy (Ryc. 2). Rycina 1. Budowa telomerów. (A) Wraz z kolejnymi podziałami komórki następuje stopniowe skracanie się telomerów (oznaczone kolorem czerwonym). (B) Schematyczne przedstawienie sekwencji ludzkiego DNA telomerowego oraz przestrzennego ułożenia podwójnej nici DNA względem siebie. (C) Kompleksy białek zlokalizowane na telomerach. Prawidłowa struktura (schemat górny), gdy zakończenia chromosomów są zamknięte i chronione przez białka. Struktura zaburzona (schemat środkowy), ale nie dysfunkcyjna, gdy telomery są zbyt krótkie by mogła powstać pętla, a białka mogły zapewnić prawidłową ochronę. Telomery w tym stanie są rozpoznawane jako uszkodzenia DNA (oznaczone na rysunku żółtymi gwiazdkami), ale ilość pozostałych białek (głównie TRF2) jest wystarczająca, aby zapobiec uruchomieniu systemów naprawy i fuzji zakończeń chromosomów. Struktura dysfunkcyjna (schemat dolny), ilość białek chroniących telomery spada prawie całkowicie, telomery nie są już chronione przed działaniem białek naprawiających DNA i może dochodzić do fuzji końców chromosomów. Na podstawie [5,7,8]. Budowa zakończeń chromosomów jest bardzo specyficzna. Tworzą one dwie pętle (D i T). Dzięki wyjątkowemu upakowaniu nici DNA nie dochodzi do aktywacji ścieżki związanej z wykrywaniem uszkodzeń DNA. Rozpoznawanie pęknięć DNA może mieć miejsce wtedy, gdy struktura nici DNA jest liniowa. Gdyby zakończenia chromosomów zostały rozpoznane przez czynniki naprawy jako uszkodzenia DNA, to doszłoby do łączenia chromosomów. Oprócz powtórzeń motywów TTAGGG struktura wspierana jest przez białka, zwane szelterynami (ang. shelterin). Obecnie znanych jest 6 takich białek i należą do nich TRF1, TRF2, POT1, TPP1, TIN2 oraz Rap1 (Ryc. 1) [7,8]. Białka te zapewniają utrzymanie specyficznej struk- 148 www.postepybiochemii.pl

Drugi rodzaj starzenia to starzenie przyspieszone, SIPS (ang. stress-induced premature senescence) [12]. Jest ono niezależne od skracania telomerów. Może być indukowane stresem oksydacyjnym, onkogenami lub czynnikami uszkadzającymi DNA. Zachodzi ono w dużo krótszym czasie niż starzenie replikacyjne (w hodowli na ogół w ciągu kilku dni), zarówno in vitro jak i in vivo, i nie wynika z wyczerpania potencjału podziałowego, choć wykazano, że stres oksydacyjny może prowadzić do przyspieszonego skracania telomerów [13]. Ten rodzaj starzenia obserwowany jest zarówno w komórkach prawidłowych pod wpływem związków prowadzących do powstawania podwójnych pęknięć nici DNA [14], jak i w komórkach nowotworowych, jako efekt np. chemioterapii [15,16]. Starzenie przyspieszone jako efekt działania onkogenów, czyli OIS (ang. oncogene induced senescence), po raz pierwszy zostało opisane przez Manuela Serrano [17], który wykazał, że starzenie prawidłowych fibroblastów in vitro może być wynikiem ekspresji onkogenu Ras. Rycina 2. Problem końca replikacji jest przyczyną skracania telomerów. Polimeraza DNA jest w stanie syntetyzować nić wiodącą aż do samego końca chromosomu. Jednak synteza nici opóźnionej zachodzi w postaci tzw. fragmentów Okazaki, z których każdy wymaga startera RNA. Po wycięciu starterów następuje synteza brakujących fragmentów DNA, jednak synteza na końcu 5 nie jest możliwa i dochodzi do skrócenia nici. tury telomerów. Wykazano, że obniżenie poziomu TRF2, jak również rozproszenie białek telomerowych, do którego dochodzi np. na skutek przedłużonego zatrzymanie komórek w mitozie, powodują indukcję starzenia w komórce [9,10]. Za utrzymanie długich telomerów odpowiedzialny jest enzym telomeraza. Jest on odwrotną transkryptazą, czyli polimerazą DNA zależną od RNA. Składa się z podjednostki matrycowej RNA, zwanej TERC (ang. Telomerase RNA component), na podstawie której dochodzi do odbudowania sekwencji telomerowych, oraz podjednostki białkowej o aktywności enzymatycznej, zwanej TERT (ang. Telomerase reverse transcriptase). Jej aktywność w komórce powoduje wydłużanie skracających się z każdym podziałem telomerów, gdyż uzupełnia ubytki nici DNA powstające na skutek problemu końca replikacji. W komórkach somatycznych jej poziom sukcesywnie spada (Ryc. 3) [11]. Na stałym, wysokim poziomie aktywna telomeraza jest obecna w komórkach rozrodczych, a na wysokim o tendencji spadkowej w komórkach macierzystych. Jej podwyższony poziom wykrywany jest również w komórkach nowotworowych, ale nie koreluje to z długością telomerów, które w komórkach nowotworowych są krótkie z powodu ich intensywnej proliferacji. Uważa się, że podwyższenie poziomu telomerazy w komórkach nowotworowych stabilizuje chromosomy, co zapewnia dalsze podziały i unikanie wejścia na drogę starzenia w wyniku krytycznego skrócenia telomerów. Badania nad telomerami i telomerazą zostały docenione przez komitet noblowski i w 2009 roku trójka badaczy, Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider oraz Jack W. Szostak, zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Mimo, że przyczyna obydwu typów starzenia jest inna, to tak naprawdę wiąże się z aktywacją tej samej ścieżki odpowiedzi na uszkodzenia DNA. W starzeniu replikacyjnym taki sygnał generują skrócone lub pozbawione szelteryn telomery, a w przyspieszonym pęknięcia podwójnej nici DNA. Do niedawna sądzono, że starzenie przyspieszone indukują silne uszkodzenia w DNA nietelomerowym, ale w 2012 roku wykazano, że aby doszło do starzenia komórkowego uszkodzenia muszą być zlokalizowane w odcinkach telomerowych [18]. Pęknięcia nici DNA w odcinkach nietelomerowych są dość wydajnie naprawiane, a uszkodzenia nici tworzącej telomer, ze względu na specyficzną strukturę i białka chroniące, są niedostępne dla systemów naprawczych. Uszkodzenia nici DNA uruchamiają ścieżkę odpowiedzi na uszkodzenia, DDR (ang. DNA damage response), której kluczowym białkiem jest p53, określane mianem strażnika genomu. Białko p53 indukuje p21 WAF1 /CIP1 (p21), które jest inhibitorem kinaz zależnych od cyklin i odpowiada za zatrzyma- Rycina 3. Aktywność telomerazy jest różna w różnych typach komórek. Przedstawiono zależność długości telomerów od liczby podziałów lub wieku komórek oraz towarzyszący im poziom telomerazy w komórkach rozrodczych (zielona linia), macierzystych (niebieska linia) i nowotworowych (czerwona linia). Komórki nowotworowe pochodzące z prawidłowych komórek somatycznych przechodzą kryzys i stabilizują długość swoich telomerów w wyniku aktywacji telomerazy. Na podstawie [11]. Postępy Biochemii 60 (2) 2014 149

nie komórek w cyklu, czyli zahamowanie podziałów. Od białka p53 zależy: (i) czy komórka czasowo przestanie się dzielić i w tym czasie naprawi uszkodzenia, (ii) czy zostanie uruchomiony szlak prowadzący do apoptozy, gdy uszkodzenia są zbyt duże, aby je naprawić, (iii) czy też komórka wejdzie na drogę starzenia, gdy uszkodzenia znajdują się w odcinkach telomerowych. Jest wiele dowodów na to, że to uszkodzenia DNA prowadzą do starzenia komórki [19]. Ich poziom wzrasta wraz z wiekiem i sugeruje się, że są one przyczyną starzenia organizmu [20]. Aktywacja szlaku DDR i obecność białka p53 wydają się być niezbędnymi elementami na drodze do starzenia komórki, aczkolwiek są dane pokazujące, że starzeją się także komórki bez funkcjonalnego białka p53, w których dochodzi do aktywacji p21 niezależnej od p53 [21]. Drugim szlakiem istotnym w indukcji starzenia komórkowego jest ścieżka z udziałem białka Rb, będącego supresorem nowotworu. Odpowiada ono za rekrutację enzymów związanych z epigenetycznymi modyfikacjami chromatyny, takich jak metylazy i acetylazy. Hiperfosforylowane białko Rb, w wyniku działania kinaz zależnych od cyklin, jest nieaktywne. W stanie hipofosforylowanym wiąże się z czynnikiem transkrypcyjnym E2F, blokując jego aktywność, która jest niezbędna do przejścia komórki do fazy S. W ten sposób hipofosforylowane aktywne białko Rb hamuje podziały komórkowe. Poziom fosforylacji Rb jest zależny od białka p16 Ink4a (p16), które jest inhibitorem zależnych od cyklin kinaz cdk4/6 (tworzących kompleks z cykliną D1, charakterystyczną dla fazy G1 cyklu komórkowego). Do aktywacji p16 dochodzi na skutek uszkodzeń DNA oraz wzrostu poziomu wolnych rodników [22,23]. Podobną rolę pełni również białko p21. Poprzez hamowanie tworzenia kompleksu cdk2/cyklina E zapobiega hiperfosforylacji białka Rb [24]. Zarówno poziom p16 jak i p21 znacząco rośnie w starych komórkach. Uważa się, że p16 może być szczególnie odpowiedzialne za starzenie komórek pozbawionych p53 [25]. ZNACZNIKI STARZENIA KOMÓRKOWEGO Istnieją wspólne cechy fenotypu starzenia zarówno u ludzi jak i zwierząt. Stare komórki posiadają również pewne cechy charakterystyczne, jednakże nie ma jednego dobrego i wystarczającego znacznika pozwalającego uznać komórkę za starą. Niezbędne jest współwystępowanie przynajmniej kilku takich znaczników [26]. Pierwszą podstawową i niezbędną cechą komórki starej jest utrata zdolności do proliferacji mimo zapewnienia optymalnych warunków do podziału. Komórki stare mają zmienioną morfologię, zwiększa się liczba uszkodzeń DNA, pojawiają się także skupiska heterochromatyny, co wiąże się z wyciszeniem ekspresji pewnych genów. Z drugiej strony, dochodzi do wzmożonej ekspresji innych genów, np. inhibitorów cyklu komórkowego takich jak p21 i p16. W starej komórce wzrasta aktywność związanej ze starzeniem β galaktozydazy (SA-β-gal, ang. senescence associated β-galactosidase) oraz pojawia się specyficzny fenotyp wydzielniczy (SASP, ang. senescence associated secretory phenotype). 1 1 Znaczniki komórek starych zostały szczegółowo omówione w artykule o. Alster i Z. Korwek Znaczniki starzenia komórkowego zamieszczonym w niniejszym zeszycie Postępów Biochemii. Oprócz markerów uniwersalnych istnieją również markery komórkowo- oraz tkankowo-specyficzne, CESP (ang. cell-type exclusive senescent phenotype). Dobrym przykładem są tutaj komórki mięśni gładkich naczyń. Stare komórki charakteryzują się zwiększoną akumulacją prelaminy A [27]. Prawdopodobnie pod wpływem stresu dochodzi do zmniejszonej produkcji enzymu odpowiedzialnego za przetwarzanie prelaminy A w laminę A. W wyniku starzenia obserwuje się w tych komórkach również wzrost produkcji białka AGTR1, receptora angiotensyny II [28]. Ponadto w starych komórkach mięśni gładkich naczyń zachodzi proces mineralizacji, a ich fenotyp ulega częściowej zmianie, której przyczyną jest wzrost syntezy białek charakterystycznych dla osteoblastów, takich jak Runx2 i BMP-2, przy jednoczesnym spadku poziomu białek chroniących przed mineralizacją, takich jak COMP i osteoprotegeryna (OPG) [29-32]. Skutkiem tego jest pojawianie się złogów wapniowych, które są bezpośrednią przyczyną miażdżycy. Z kolei w komórkach mięśni gładkich przewodu pokarmowego zmiany dotyczą głównie poziomu wapnia dochodzi do spadku wewnątrzkomórkowego stężenia Ca 2+, ale jego wzrost obserwuje się w mitochondriach i sarkoplazmatycznej siateczce [33]. W starych komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych zmniejsza się aktywność syntazy tlenku azotu, NOS (ang. nitric oxide synthase), a tym samym spada poziom NO, który jest niezbędny do utrzymania homeostazy tych komórek [29,34,35]. Z wiekiem zmienia się również komunikacja między komórkami mięśni gładkich a komórkami śródbłonka naczyń. W czasie starzenia komórek mięśni poprzecznie prążkowanych dochodzi do zmian we wzorze ekspresji genów miozyn. U szczura zaobserwowano zmianę proporcji w syntezie białek łańcuchów lekkich i ciężkich [36]. Wraz z wiekiem charakterystyczny jest także wzrost syntezy miostatyny, negatywnego regulatora masy mięśniowej, istotnego w patogenezie sarkopenii [37]. Co więcej, w komórkach tych zaburzone jest oddychanie, dochodzi do akumulacji karbonylowanych białek mitochondrialnych i obniżenia produkcji ATP. Spada również poziom białek związanych z regulacją poziomu wolnych rodników tlenowych, SOD1, SOD2 oraz katalazy [38]. Uszkodzone komórki mięśniowe w starszych organizmach nie mogą być w prosty sposób zastępowane nowymi ze względu na metylacje w sekwencji promotorowej miogeniny, białka biorącego udział w różnicowaniu mioblastów do miotub a następnie do włókien mięśniowych [39]. Dodatkowo wykazano, że w komórkach satelitarnych dochodzi wraz z wiekiem do akumulacji p16, co uniemożliwia ponowne wejście w cykl komórkowy i regenerację tkanki, oraz prowadzi do ich starzenia [40]. W starzejących się mioblastach dochodzi także do zmian fenotypu metabolicznego, osłabione jest pobieranie glukozy, synteza glikogenu, oksydacja glukozy oraz beta-oksydacja kwasów tłuszczowych [41]. W komórkach mięśnia serca dochodzi do spadku ilości białek związanych z regulacją poziomu wapnia oraz spadku syntezy sarkoplazmatycznej pompy SERCA2. Zaburzona zostaje więc homeostaza wapniowa, co skutkuje spadkiem zdolności komórek do kurczenia [42]. 150 www.postepybiochemii.pl

W podeszłym wieku obserwuje się zmniejszenie objętości tkanki tłuszczowej (w szczególności podskórnej), co wiąże się z odkładaniem tłuszczu w innych tkankach, takich jak mięśnie czy szpik kostny. Przyczynia się do tego jeden ze specyficznych komórkowo markerów starzenia adipocytów, jakim jest spadek zdolność do magazynowania i uwalniania energii oraz do odpowiedzi na nadmiarowe lipotoksyczne kwasy tłuszczowe [43]. Stare preadipocyty mają zaburzoną zdolność do różnicowania w adipocyty [44]. Dzieje się tak na skutek zmniejszenia produkcji adipogennych czynników transkrypcyjnych, takich jak C/EBP-α i PPAR-γ oraz wzrostu poziomu czynników antyadipogennych. W wyniku tych zmian, w tkance tłuszczowej pojawiają się adipocytopodobne komórki, które mają niewielkie rozmiary i są mniej wrażliwe na insulinę niż w pełni zróżnicowane młode adipocyty. Ponadto, spadek C/EBP-α przyczynia się również do zmniejszenia tolerancji glukozy przez działanie na insulinozależny transporter GLUT4. W starych adipocytach spada też poziom białka wiążącego tłuszcze, ap2 [44]. ROLA STARZENIA KOMÓRKOWEGO Rycina 4. Rola starzenia komórkowego w młodym i starym organizmie. W młodym organizmie starzenie komórkowe chroni przed proliferacją uszkodzonych komórek, stanowiąc barierę przeciwnowotworową oraz przeciwstarzeniową dla całego organizmu. W starym organizmie nagromadzenie uszkodzeń w komórkach, spadek efektywności systemów naprawczych komórki oraz zaburzone usuwanie uszkodzonych komórek skutkuje akumulacją komórek starych. Z jednej strony zahamowanie proliferacji tych komórek pełni rolę przeciwnowotworową, a z drugiej komórki stare pogarszają funkcjonowanie sąsiadujących tkanek, podnoszą stan zapalny, co sprzyja starzeniu się całego organizmu. Na podstawie [45]. W przeciwieństwie do starzenia organizmu, starzenia komórkowego nie możemy uważać tylko za proces destrukcyjny, prowadzący do zmian funkcjonalnych w tkankach i narządach, prowadzący w konsekwencji do pogorszenia funkcjonowania całego organizmu. Należy podkreślić, że rola starzenia komórkowego i jego funkcja zmienia się wraz z wiekiem (Ryc. 4) [45]. Starzenie komórkowe nie tylko odzwierciedla starzenie organizmu (akumulacja starych komórek z wiekiem), ale może pojawiać się w określonych sytuacjach w młodym organizmie. U osobników młodych odgrywa istotną rolę w procesie regeneracji tkanek i uważa się, że stanowi ono barierę zabezpieczającą przed nowotworzeniem. Jest niezbędne w zachowaniu homeostazy organizmu. Wiele danych wskazuje na to, że komórki z uszkodzonym materiałem genetycznym przestają się dzielić i ulegają starzeniu, dzięki czemu nie dochodzi do rozwoju nowotworu. Komórki takie charakteryzują się specyficznym fenotypem sekrecyjnym, SASP, czyli wydzielają cytokiny, które są rozpoznawane przez komórki żerne układu odpornościowego. Konsekwencją tego jest eliminacja komórek starych. SASP jest jednym z istotniejszych elementów starzenia komórkowego, wywierającym wpływ na otaczające komórki, a przez to i na cały organizm. Komórki stare wydzielają wiele przekaźników stanu zapalnego. O ile przejściowe wystąpienie ostrego stanu zapalnego, na skutek kontaktu z patogenami, podczas gojenia ran lub szeroko pojętego stresu, jest dobroczynne, o tyle długotrwały stan zapalny jest niekorzystny dla organizmu. Wraz z wiekiem komórek starych przybywa, a co za tym idzie, w organizmie obserwowany jest chroniczny stan zapalny. W tej sytuacji, nad obroną przed nowotworzeniem zaczyna dominować wspieranie komórek nowotworowych poprzez dostarczanie im czynników wzrostu. Ponadto, chroniczny stan zapalny powoduje wzrost poziomu wolnych rodników, co dodatkowo może przyczyniać się do wzrostu liczby uszkodzeń DNA. W skład wydzielanych białek wchodzą również takie, które są związane z angiogenezą i przerzutowaniem, co dodatkowo zwiększa inwazyjność komórek nowotworowych. Wiele danych literaturowych wskazuje na silny związek pomiędzy obecnością długotrwałego stanu zapalnego a występowaniem nowotworów. Wiadomo również, że stan zapalny towarzyszy większości chorób wieku podeszłego 2. Stan zapalny, w zależności od sytuacji może być niezbędny do niwelowania skutków stresu, ale może też być przyczyną destrukcji. W wielu sytuacjach jest elementem potrzebnym do zachowania homeostazy organizmu i zapewnienia prawidłowego funkcjonowania. Jest podstawą regeneracji tkanek i dzięki niemu nie powstają zwłóknienia [46]. W odpowiedzi na uszkodzenia tkanki dochodzi do zwiększonej proliferacji komórek w celu jej naprawy. Jednocześnie pod wpływem uszkodzeń, jak i w wyniku 2 Rola mikrośrodowiska wytwarzanego przez komórki stare została szerzej omówiona w artykule Grażyny Mosieniak i Anny Strzeszewskiej Starzenie komórkowe w kancerogenezie i terapii przeciwnowotworowej, zamieszczonym w niniejszym zeszycie Postępów Biochemii. Postępy Biochemii 60 (2) 2014 151

starzenia replikacyjnego, będącego skutkiem intensywnych podziałów, komórki starzeją się i wydzielają do otoczenia specyficzne białka, zapobiegając tym samym powstaniu blizny zmniejszającej sprawność tkanki. Wpływ starzenia komórkowego na zdolność do regeneracji tkanek pokazano np. w doświadczeniach na myszach z niefunkcjonalnymi ścieżkami prowadzącymi do starzenia, u których indukowano uszkodzenia wątroby przy użyciu związku chemicznego. U zwierząt z niefunkcjonalnymi ścieżkami p53 i p16 komórki nie ulegały starzeniu pod wpływem uszkodzeń, a w wątrobie powstawały zwłóknienia. Zwłóknienia są wynikiem różnicowania komórek gwiaździstych wątroby (HSCs, ang. Hepatic stellate cells) w fibroblasty o cechach komórek mięśni gładkich (miofibroblasty), które podczas intensywnej proliferacji w celu regeneracji tkanki produkują dużą ilość substancji zewnątrzkomórkowej. U zwierząt tych nie dochodziło do wydzielania metaloptroteinaz oraz chemokin, elementów SASP. Metaloproteinazy wspomagają usuwanie zwłóknień, podczas gdy chemokiny są odpowiedzialne za rekrutację komórek układu odpornościowego, głównie NK (ang. natural killers), które z kolei eliminują komórki stare, co kończy proces zapalny. Inaczej sytuacja wyglądała u myszy typu dzikiego, gdzie komórki ulegały starzeniu pod wpływem uszkodzeń wątroby. W wyniku sekrecji metaloproteinaz macierzy dochodziło do rozpuszczenia zwłóknień, a następnie rekrutacji komórek układu odpornościowego, co skutkowało eliminacją komórek starych, które już spełniły swoją funkcję. Taka sekwencja zdarzeń zapobiegała bliznowaceniu tkanki [46]. Zaobserwowano, że podobnie dzieje się podczas procesu naprawy innych tkanek. Leczenie ran, którego następstwem nie byłoby bliznowacenie i zwłóknienie, wymaga bardzo precyzyjnej regulacji i jednym z niezbędnych etapów jest przejściowy stan zapalny generowany przez komórki stare [47]. U osobników w podeszłym wieku spada zdolność do regeneracji tkanek i jednocześnie rośnie liczba komórek starych. Wyczerpuje się również pula komórek macierzystych niezbędnych do zastępowania uszkodzonych komórek. Usunięcie komórek starych wiązałoby się z ubytkiem tkanki, więc nie jest już możliwe. Zwiększający się udział komórek starych przyczynia się do utrzymania w organizmie chronicznego stanu zapalnego i stwarza warunki sprzyjające rozwojowi chorób wieku podeszłego. Zaczyna dominować niekorzystny wpływ stanu zapalnego będącego efektem SASP. STARZENIE KOMÓRKOWE IN VIVO Proces starzenia komórek in vitro został dość dokładnie poznany. Starzenie komórkowe ma miejsce również w organizmie. Komórki stare są znajdowane w różnych tkankach i narządach, a ich akumulacja jest skorelowana z wiekiem. Wykazano, że potencjał podziałowy komórek pobranych z organizmów w różnym wieku jest różny, im młodszy jest dawca, tym więcej podziałów mogą przejść jego komórki in vitro [48]. Obecność starych komórek zaobserwowano również w tkankach pochodzących z organizmów w różnym wieku. Wykazano, że u gryzoni komórek starych przybywa wraz z wiekiem, co sugeruje ich akumulację [20,49]. Nie jest to duży odsetek, bo wynosi od kilku do 20% w zależności od tkanki, ale biorąc pod uwagę fakt, że stare komórki modyfikują otoczenie i wpływają na komórki sąsiadujące, może to tłumaczyć zmiany na poziomie tkanek i narządów. W tkankach pobranych od młodych (12 miesięcy) i starych (42 miesiące) myszy wykazano, że w komórkach wzrasta poziom uszkodzeń DNA: w płucach z 7% do 18%, a w śledzionie z 6% do 24%. Wzrost obserwowano również w jelicie cienkim, skórze i wątrobie [49]. Co więcej, w przypadku szczurów [50] i myszy [51] udało się pokazać, że in vivo starzeją się także komórki nerwowe odsetek komórek z podwyższoną aktywnością SA-β-gal u zwierząt 6-, 18- i 24-miesięcznych wynosił odpowiednio 15, 32, 51% [50]. Akumulację komórek starych obserwowano również u naczelnych, u pawiana [52,53] oraz u człowieka [48], u których wraz z wiekiem dochodzi do nagromadzenia starych fibroblastów w skórze. U gryzoni i człowieka wykazano obecność różnych markerów starzenia zarówno w komórkach budujących naczynia śródbłonka i mięśni gładkich, jak i w mięśniach szkieletowych, tkance tłuszczowej i wątrobie [54]. Podwyższony poziom macroh2a, znacznika heterochromatyny charakterystycznego dla starych komórek, znaleziono w komórkach mięśni szkieletowych naczelnych i człowieka [55]. Również liczba skupisk γh2ax rośnie wraz z wiekiem w limfocytach człowieka [20]. Badanie długości telomerów w komórkach pochodzących od młodych, 5 6-miesięcznych i starych, 29 30-letnich pawianów wykazały, że z wiekiem telomery ulegają skróceniu, a odsetek komórek posiadających uszkodzenia DNA wzrasta [52]. Korelację skracania telomerów z wiekiem wykazano również w tkankach ludzi w podeszłym wieku. Dotyczyło to skóry, wątroby, nerki i limfocytów [56,57]. Bardzo przekonującym dowodem na to, że zmiany na poziomie komórkowym przekładają się na obraz starzenia organizmu, są mutacje pojedynczych genów powodujące przedwczesne starzenie. Wystarcza zmiana w jednym genie, aby doszło do znacznego przyspieszenia w uwidocznieniu się cech typowych dla ludzi w podeszłym wieku. Dodatkowo jest to dość przekonujący dowód na to, że uszkodzenia DNA są bezpośrednio odpowiedzialne za starzenie organizmu wraz z całym wachlarzem schorzeń wieku podeszłego. Taka sytuacja ma miejsce u osób z progeriami (zespołami przedwczesnego starzenia) Hutchinsona-Gilforda (HGPS, ang. Hutchinson-Gilford Progeria Syndrom) oraz zespołem Wernera (WS, ang. Werner Syndrom). W pierwszym przypadku osoby dożywają maksymalnie 20. roku życia (średnia długość życia to 11 13 lat), w drugim dłużej (mutacja ujawnia się w okresie dojrzewania), ale bardzo wcześnie pojawiają się objawy starzenia nieadekwatne do wieku. Obydwa zespoły są związane z mutacją tylko w jednym genie: kodującym laminę A w przypadku HGPS i helikazę w przypadku WS [58,59]. Konsekwencją obydwu mutacji jest zwiększenie poziomu uszkodzeń DNA, u osób z HGPS ze względu na nieprawidłową budowę otoczki jądrowej (wadliwa lamina A powoduje zaburzenie kształtu otoczki jądrowej, odgrywa rolę w regulacji transkrypcji, replikacji i naprawie DNA oraz organizacji chromatyny), a u osób z WS, ze względu na upośledzenie systemów naprawy poprzez brak prawidłowego rozplatania nici DNA (brak helikazy, enzymu zaangażowanego w transkrypcję, replikację 152 www.postepybiochemii.pl

i naprawę DNA oraz odpowiedzialnego za utrzymanie prawidłowej struktury telomerów). Komórki pobrane od osób z HGPS mają mniejszy potencjał replikacyjny, posiadają krótsze telomery oraz większy poziom uszkodzeń DNA. Jest to bezpośredni dowód na to, że uszkodzenia DNA nie tylko są odpowiedzialne za starzenie komórkowe, ale i za fenotyp starzenia organizmu. STARZENIE KOMÓRKOWE A CHOROBY WIEKU PODESZŁEGO Wraz z wiekiem spada nie tylko kondycja organizmu, sprawność fizyczna czy zdolności poznawcze. Starzenie wiąże się również ze zwiększoną zapadalnością na, tak zwane, choroby związane z wiekiem. Częstotliwość pojawiania się takich chorób ściśle koreluje z wiekiem. O ile pewne cechy pojawiają się u wszystkich osób starszych, o tyle choroby wieku podeszłego dotykają tylko niektórych. Często też jedna osoba cierpi na więcej niż jedną chorobę wieku podeszłego. Uniwersalnymi cechami korelującymi z wiekiem są: upośledzenie gojenia ran, słaba odporność, upośledzenie słuchu i wzroku, osteoporoza, sarkopenia (związany z wiekiem zanik mięśni szkieletowych), siwienie i zmniejszenie elastyczności skóry. Do chorób związanych z wiekiem zaliczamy: zmiany neurodegeneracyjne takie jak choroba Alzheimera (AD, ang. Alzheimer disease) i Parkinsona (PD, ang. Parkinson disease), zaćma, jaskra, choroby układu krążenia (miażdżyca, nadciśnienie), przewlekła obturacyjna choroba płuc (COPD, ang. chronic obturative pulmonary disease), idiopatyczne włóknienie płuc (IPF, ang. idiopatic pulmonary fibrosis) oraz cukrzyca typu II. Wraz z wiekiem rośnie również zapadalność na pewne typy nowotworów. Do obniżenia kondycji w tym przypadku przyczyniają się również skutki terapii przeciwnowotworowej (Ryc. 5) [60]. Istnieje sporo danych pokazujących powiązanie starzenia komórkowego z różnymi schorzeniami wieku podeszłego. Najwięcej informacji można znaleźć na temat chorób układu krwionośnego (CVD, ang. cardiovascular diseases). Częstotliwość pojawiania się chorób układu sercowo-naczyniowego wzrasta gwałtownie po 55. roku życia [61]. Do najczęściej obserwowanych należą miażdżyca i nadciśnienie. Miażdżycy towarzyszy stan zapalny i podwyższony poziom wolnych rodników. Z wiekiem dochodzi do tworzenia się w naczyniach płytek miażdżycowych, które zmniejszają światło naczyń, co prowadzi do wzrostu ciśnienia, większego obciążenia serca i może powodować nawet zatkanie naczyń. Ma to miejsce, gdy płytka odrywa się od ściany naczynia i zatyka całkowicie jego światło. Jest to przyczyną zawałów i udarów. W płytce miażdżycowej znajdowane są komórki zarówno układu krwionośnego tj. zmienione w komórki piankowate makrofagi, jak również komórki budujące naczynia, czyli komórki mięśni gładkich i śródbłonka (Ryc. 6). Wyizolowane z płytek miażdżycowych komórki posiadają wiele cech komórek starych. Zaobserwowano w nich wysoki poziom SA-β-gal, inhibitorów cyklu komórkowego p16 i p21 oraz zwiększoną liczbę uszkodzeń DNA [62]. Komórki te posiadają również krótsze telomery oraz zmniejszony potencjał podziałowy [63-65]. Za zmiany w naczyniach odpowiedzialna jest angiotensyna II, hormon peptydowy regulujący ciśnienie krwi, homeostazę wodno-elektrolitową oraz wydzielanie innych hormonów. Wykazano, że jej obecność powoduje podniesienie poziomu reaktywnych form tlenu (RFT), co sprzyja utrzymywaniu się chronicznego stanu zapalnego poprzez zwiększoną produkcję cytokin prozapalnych. To niekorzystnie oddziałuje na komórki śródbłonka i mięśni gładkich Rycina 5. Choroby wieku podeszłego. Po lewej stronie przedstawiono uniwersalne zmiany zachodzące w organizmie wraz z wiekiem. Po prawej zilustrowano choroby wieku podeszłego. Do większości z nich przyczynia się starzenie komórkowe. COPD przewlekła obturacyjna choroba płuc; IPF idiopatyczne włóknienie płuc. Na podstawie [60]. Rycina 6. Przekrój przez naczynie krwionośne osoby młodej (na górze) oraz osoby starszej (na dole). W starym naczyniu widoczna jest płytka miażdżycowa, zwężająca światło naczynia. Zaznaczono komórki uczestniczące w rozwoju miażdżycy: komórki mięśni gładkich naczyń krwionośnych (VSMC, ang. vascular smooth muscle cells), komórki śródbłonka naczyń (EC, ang. endothelial cells), komórki piankowate, a także szczątki komórek, tłuszcz oraz wapń. Postępy Biochemii 60 (2) 2014 153

naczyń. Powstają uszkodzenia DNA powodujące aktywację szlaku DDR, co wzmaga SASP, nazywany w tym przypadku AAASP (ang. age-associated arterial secretory phenotype) [66]. Z kolei nadciśnienie powoduje uszkodzenia w narządach najbardziej obciążonych zwiększonym ciśnieniem krwi, czyli w sercu i nerkach, co przypisuje się starzeniu komórkowemu. Przemawia za tym podniesiony poziom białka p16 w tych narządach [67]. Obserwacji takich dokonano zarówno w przypadku doświadczalnie wywołanego nadciśnienia u szczurów (zmiany dotyczyły nerki i serca), jak i u ludzi cierpiących na nadciśnienie (zmiany w nerkach). Starzenie komórkowe ma swój udział również w etiologii cukrzycy typu II i otyłości [43]. Wykazano, że starzenie komórek tłuszczowych jest istotnym elementem rozwoju cukrzycy [68]. U myszy stanowiących eksperymentalny model otyłości i cukrzycy obserwowano podwyższony poziom RFT i cytokin prozapalnych w tkance tłuszczowej, gromadzenie makrofagów oraz wyższy poziom insuliny we krwi, insulinooporność i nietolerancję glukozy. Proces ten był ściśle zależny od p53. Usunięcie tkanki bogatej w stare adipocyty zwiększało wrażliwość na insulinę myszy pozbawionych telomerazy (posiadających krótkie telomery). Z drugiej strony wszczepienie starych adipocytów myszom typu dzikiego powodowało upośledzenie wrażliwości na insulinę i spadek tolerancji glukozy [69]. Podwyższony poziom p53 i p21 w komórkach tkanki tłuszczowej obserwowano również u pacjentów z cukrzycą typu II [68]. Pojawia się coraz więcej danych pokazujących, że nadwaga jest powiązana z gromadzeniem się starych komórek tłuszczowych, w tym preadipocytów oraz komórek śródbłonka. Są one źródłem cytokin prozapalnych i chemokin, co stoi w zgodzie z obserwacją, że w warunkach fizjologicznych poziom tych białek w adipocytach wzrasta wraz z wiekiem [43]. Obecność komórek starych wykazano też w przypadku chorób płuc (COPD i IPF), których częstotliwość występowania koreluje z wiekiem. W tkance płucnej pochodzącej od pacjentów cierpiących na te schorzenia obserwowano podwyższoną liczbę komórek z podniesionym poziomem SA-β-gal, p21 oraz zahamowanie podziałów [70,71]. Wydaje się, że starzenie komórkowe jest przyczyną zapalenia kostno-stawowego, któremu towarzyszy przewlekły stan zapalny, i w przypadku którego zaawansowany wiek jest głównym czynnikiem ryzyka [72]. W chrząstce stawowej wykazano akumulację starych komórek ze zwiększonym poziomem SA-β-gal, podwyższoną syntezę p16 i p21 oraz krótszymi telomerami. Ponadto zaobserwowano, że starzenie komórek nabłonkowych kanalików nerkowych towarzyszy torbielowatości kłębuszków nerkowych, co prowadzi do włóknienia śródmiąższu nerek. Z kolei starzenie chondrocytów obserwowano przy zapaleniu kości i stawów oraz w zwyrodnieniowej chorobie dyskowej [73]. Starzenie fibroblastów towarzyszy owrzodzeniom żylnym [74]. W przypadku chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera (95% osób cierpiących na to schorzenie jest po 65. roku życia) i Parkinsona (zapadalność rośnie po 50. roku życia) [75,76] również wykazano obecność markerów starzenia komórkowego. W komórkach zmienionych na skutek choroby Alzheimera (płytki β-amyloidu, splątki neurofibrylarne) zaobserwowano wysoki poziom białka p16, ale brak jest innych inhibitorów cyklu komórkowego. Ten marker starzenia nie występuje w terminalnie zróżnicowanych neuronach i można wnioskować, że pojawia się w neuronach zmienionych na skutek choroby. Zarówno badania prowadzone na komórkach pochodzących od pacjentów, jak również na modelach zwierzęcych sugerują, że odkładający się w przebiegu choroby w przestrzeni zewnątrzkomórkowej β-amyloid jest kluczowym elementem odpowiadającym za patogenezę choroby Alzheimera. Wykazano, że oligomer β-amyloidu 1-42 może indukować starzenie neuronalnych komórek macierzystych/progenitorowych (NSPCs, ang. neural stem/progenitor cells) w hipokampie dorosłej myszy [77]. Wcześniej wykazano, że wprowadzenie NSPCs redukuje utratę neuronów i poprawia zdolności poznawcze oraz pamięć zwierząt stanowiących modele choroby Alzheimera. Jednakże zaobserwowano, że niesprzyjające środowisko mózgu tych zwierząt upośledza funkcje wprowadzonych komórek. W przypadku choroby Parkinsona stwierdzono, że starzenie neuronów dopaminergicznych odgrywa znaczącą rolę w tym schorzeniu i jest odpowiedzialne za indukcję śmierci komórek na skutek zwiększonej produkcji wolnych rodników. Nie we wszystkich chorobach wieku podeszłego można wykazać udział starzenia komórkowego, ale wszystkie one są związane ze stanem zapalnym. Stan zapalny leży zarówno u podłoża, jak i nasila się w czasie choroby. Prawdopodobnie działa on na zasadzie dodatniego sprzężenia zwrotnego. STARZENIE KOMÓRKOWE W STARZENIU ORGANIZMU Wyniki badań ostatnich kilku lat dostarczyły bezpośrednich dowodów, że starzenie komórkowe faktycznie jest odpowiedzialne za starzenie organizmu. Udało się to wykazać dzięki badaniom myszy z progerią [78]. Podstawą do stworzenia takiego modelu była obserwacja, że w procesie naturalnego starzenia dochodzi do spadku poziomu białka BubR1. Jest to białko punktu kontroli mitozy, odpowiedzialne za prawidłowe rozdzielenie chromosomów do komórek potomnych i podział komórki. Jego brak jest przyczyną aneuploidii. Gdy nie ma BubR1, prowadzi to do śmierci na wczesnych etapach rozwoju zarodkowego. Obniżenie poziomu skutkuje z kolei przedwczesnym starzeniem, ale nie powoduje ani zwiększenia poziomu aneuploidii ani podwyższenia zapadalności na nowotwory. Do badań wykorzystano homozygotyczne myszy z hipomorficznymi allelami (10% poziomu w stosunku do myszy typu dzikiego) białka BubR1 BubR1 H/H. Charakteryzowały się one przyspieszonym starzeniem, któremu towarzyszyły takie zmiany degeneracyjne jak sarkopenia, zaćma, karłowatość ze spadkiem masy ciała, ubytki w tkance tłuszczowej, lordokifoza (zaburzona krzywizna kręgosłupa), dysmorfia czaszkowo-twarzowa, zmniejszenie elastyczności naczyń, upośledzone gojenie ran oraz skrócona długość życia [78-80]. Takie myszy 154 www.postepybiochemii.pl

wyrażały fenotyp starzenia w wieku 5 miesięcy, co jest okresem pełnej sprawności u myszy typu dzikiego. Gdy z kolei u myszy typu dzikiego podniesiono poprzez manipulacje genetyczne poziom białka BubR1, zaobserwowano wydłużenie życia, opóźnienie objawów starzenia, redukcję nowotworzenia oraz zmniejszenie występowania aneuploidii [81]. Ponieważ poziom p16 wzrasta z wiekiem zarówno u gryzoni jak i u ludzi, zbadano rolę tego białka w przedwczesnym starzeniu myszy z progerią. Zaobserwowano jego wyższy poziom w tkankach najbardziej dotkniętych zmianami, mianowicie w mięśniach szkieletowych i w tkance tłuszczowej. Wykazano, że usunięcie genu p16 poprawiało kondycję myszy z progerią i zwiększało zdolności regeneracyjne tkanki mięśniowej wyizolowanej z brzuśca, po uszkodzeniu kardiotoksyną [82]. Łagodziło również zmiany w tkance tłuszczowej. Eliminacja p16 spowodowała spadek liczby komórek z aktywną SA-βgal. Badanie roli białka p16 w procesie starzenia organizmu jest możliwe u myszy z progerią, lecz niewykonalne u myszy typu dzikiego, ponieważ brak p16 powodował, że zwierzęta typu dzikiego szybciej zapadały na nowotwory niż zdążyły się zestarzeć. Zbadano również wpływ innych białek charakterystycznych dla procesu starzenia komórkowego na kondycję myszy z progerią. Okazało się, że brak białek p53 i p21 skraca czas życia i powoduje jeszcze szybsze i bardziej drastyczne zmiany w mięśniach i tkance tłuszczowej. Wyciągnięto wniosek, że p53 i aktywowane przez nie białko p21 są niezbędne do utrzymania myszy z progerią we względnie dobrej kondycji, czyli niwelują skutki hipomorficzności BubR1 [83]. Wynika z tego, że w tym przypadku p16 i p53-p21 pełnią przeciwstawne funkcje. Ponieważ obserwacje myszy z progerią pozbawionych p16 pokazały, że brak tego białka łagodzi objawy starzenia, autorzy zadali sobie pytanie, co się stanie, gdy usuną z organizmu stare komórki. W roku 2011 ukazała się praca pokazująca, że usunięcie komórek starych, czyli takich, w których pojawiło się białko p16, opóźnia pojawianie się dolegliwości wieku podeszłego u myszy z progerią [84]. Usunięcie komórek starych utrzymywało zwierzęta w znacznie lepszej kondycji niż zwierzęta o podobnym tle genetycznym, u których komórki stare nie były eliminowane. Wykorzystano myszy BubR1 H/H, które dodatkowo były wrażliwe na działanie związku AP20187 (dalej zwanym AP). Związek ten był podawany w diecie i selektywnie eliminował na drodze apoptozy (poprzez aktywację kaspazy 8) komórki stare, czyli takie w których dochodziło do syntezy p16 (Ryc. 7). Zastosowano dwie strategie: w przypadku pierwszej AP był podawany od 3. tygodnia życia myszy tak, aby nie doszło do akumulacji komórek starych, natomiast w drugim podejściu AP podawano od 5. miesiąca, gdy doszło już do akumulacji starych komórek. W obydwu przypadkach zaobserwowano znaczną poprawę kondycji zwierząt. Dotyczyło to zarówno różnic w wyglądzie, jak i strukturach wewnętrznych. Obserwowano grubszą tkankę tłuszczową, zwiększoną grubość włókien mięśniowych i lepszą sprawność ruchową. W ten sposób uzyskano bezpośredni dowód na to, że starzenie komórkowe bierze udział w starzeniu organizmu, gdyż usunięcie starych komórek łagodziło fenotyp starzenia i ograniczało patologiczne zmiany towarzyszące starzeniu. Słabym punktem tych dość spektakularnych doświadczeń jest to, że obiektem eksperymentalnym były myszy z progerią, a nie zwierzęta starzejące się w sposób fizjologiczny. Rycina 7. Schemat doświadczenia polegającego na eliminacji starych komórek z organizmu myszy. Myszy te powstały na skutek krzyżówki myszy wrażliwych na związek AP (myszy ATTAC) z myszami z progerią, której przyczyną jest niska syteza białka BubR1 (myszy BubR1 H/H ). Komórki, które uległy starzeniu, i w których pojawiało się białko p16, były eliminowane z organizmu na drodze apoptozy, którą indukował w nich związek AP podawany w diecie. Usunięcie starych komórek skutkowało poprawą kondycji zwierząt. Na podstawie [60]. Innym bezpośrednim dowodem na przyczynowo skutkowe powiązanie starzenia komórkowego ze starzeniem organizmu jest poprawa kondycji wynikająca z reaktywacji telomerazy [85]. Takie obserwacje zostały poczynione w przypadku gryzoni. Telomeraza nie może ulegać stałej ekspresji, ponieważ mogłoby to prowadzić do transformacji Postępy Biochemii 60 (2) 2014 155

nowotworowej, ale włączanie jej w kontrolowany sposób w poszczególnych tkankach przynosiło pozytywne efekty. Dochodziło do regeneracji tkanek w starzejącym się organizmie. Dotyczyło to tkanek takich narządów jak: śledziona, jelita, kanaliki w jądrze, ale również powodowało zwiększenie grubości otoczki mielinowej i rozmiaru mózgu. Także wspomniana wcześniej nadekspresja BubR1, wpływająca na wydłużenie życia i polepszenie parametrów tkankowych, jest kolejnym przykładem na powiązanie między starzeniem komórek i starzeniem organizmu [81]. Gdy poziom tego kluczowego dla podziału komórki białka jest niski zwierzęta cierpią na progerię, a gdy jest podwyższony wolniej się starzeją i żyją dłużej. ROLA STARZENIA W EMBRIOGENEZIE Do prawidłowej embriogenezy i organogenezy niezbędna jest eliminacja niepotrzebnych komórek. Do niedawna uważano, że taką rolę spełnia ściśle zaprogramowana czasowo i przestrzennie apoptoza. Badania opublikowane w zeszłym roku pokazały, że również starzenie jest niezbędnym elementem embrio- i organogenezy. Prawdopodobnie pełni ono podobną funkcję co apoptoza. Komórki stare pojawiają się w określonych miejscach i w określonym czasie rozwoju płodu. Następnie są usuwane przez komórki układu odpornościowego (makrofagi), co pozwala na uformowanie struktur docelowych. Zjawisko to jest bardzo powtarzalne i prawdopodobnie dotyczy nie tylko różnych gatunków, ale i grup zwierząt (gromad). Dotychczas ukazały się dwie prace, a obserwacje były poczynione u zarodków myszy i kury, a także w zarodkach ludzkich [86,87]. Stare komórki, które wykazywały podwyższoną aktywność SA-β-gal znaleziono w grzbietowo-wierzchołkowej część ektodermy (AER, ang. apical ectodermal ridge) i blaszce grzbietowej cewy nerwowej. Podczas rozwoju zarodkowego myszy pojawianie komórek starych zaobserwowano również w rozwijających się kończynach, błonach między palcami, ogonie, pęcherzyku usznym, pęcherzyku mózgowym, linii mostkowej pośrodkowej, zamykającej się cewie nerwowej i endodermie jelita. U kury były to kończyny, obszary cewy nerwowej/kręgosłupa oraz kształtujące się oko. Przejściowe pojawianie się komórek starych u myszy i człowieka obserwowano przy przebudowie śródnerki, pełniącej funkcję nerki zarodkowej oraz w worku śródchłonki ucha wewnętrznego, związanym z filtrowaniem endolimfy kanalików ślimakowego i przedsionkowego, zaangażowanych odpowiednio w słyszenie i utrzymanie równowagi. Należy zaznaczyć, że pierwsze doniesienia o obecności komórek z podwyższoną aktywnością SA-β-gal w śródnerce ptaków (przepiórka japońska) pojawiły się już w 2006 roku [88]. Kluczowym białkiem zaangażowanym w starzenie podczas embriogenezy jest p21, a jego aktywacja jest niezależna od p53. Co więcej, u myszy pozbawionych białka p21 nie obserwowano starzenia podczas embriogenezy i prowadziło to do pewnych zaburzeń rozwojowych związanych z nieprawidłową przebudową narządów. U myszy dotyczyło to szczególnie kończyn oraz pochwy, ale zmiany te nie powodowały bardzo wyraźnych wad Rycina 8. Znaczenie biologiczne starzenia komórkowego. Starzenie komórkowe nie tylko zapobiega rozwojowi nowotworów i jest odpowiedzialne za regenerację tkanek, ale może również przyczyniać się do wyczerpania puli komórek macierzystych, zaburzając tym samym zdolność do naprawy tkanek. Stare komórki mogą z kolei sprzyjać rozwojowi nowotworów (głównie poprzez SASP) i najprawdopodobniej są przyczyną starzenia organizmu. Na podstawie [26]. rozwojowych. Może to wynikać z silnych zdolności kompensacyjnych i zastępowania p21 przez inne białka np. p15 INK4b (p15) lub p57 KIP2 (p57). Brak starzenia komórkowego w rozwoju zarodkowym może być częściowo zastępowany przez apoptozę, ale nie jest ona w stanie całkowicie go zrekompensować i w związku z tym dochodzi do pojawienia się pewnych anomalii rozwojowych. Podczas embriogenezy nie obserwuje się obecności białka p16 ani uszkodzeń DNA, czyli dwóch kluczowych elementów zarówno starzenia replikacyjnego, jak i OIS. Również SASP różni się od opisanego w przypadku dojrzałego organizmu, mianowicie nie obserwowano produkcji interleukin 6 i 8 (IL-6 i IL-8). Autorzy obydwu prac uważają, że starzenie komórkowe jest mechanizmem wykształconym pierwotnie podczas embriogenezy do prawidłowego rozwoju zarodka i dlatego zestaw białek jest uboższy niż w starzeniu, które zostało zaadaptowane w procesie ewolucji i ma miejsce w organizmach dorosłych. PODSUMOWANIE Starzenie komórkowe ma miejsce zarówno in vitro jak i in vivo. Odgrywa ono istotną, a nawet kluczową rolę w procesie starzenia organizmu i pojawianiu się chorób związanych z wiekiem. U osobników w podeszłym wieku zmniejsza się zdolność do regeneracji, odnawiania komórek, a chroniczny stan zapalny promuje pojawianie się różnego typu dolegliwości i dysfunkcji. Starzenie komórkowe stanowi podstawę jednej z teorii starzenia mówiącej o tym, że jest ono przyczyną starzenia organizmu i z czasem znalazła coraz poważniejsze wsparcie w doświadczeniach [89]. Usunięcie starych komórek z organizmu myszy jest w stanie zapobiegać pojawianiu się zmian związanych z wiekiem. 156 www.postepybiochemii.pl

Rycina 9. Przyczyny starzenia organizmu wynikające ze zmian na różnych poziomach organizacyjnych. Idąc od góry piramidy: zmiany na poziomie tkankowym, komórkowym oraz molekularnym. Na podstawie [45]. Funkcja starych komórek zmienia się wraz z wiekiem. W organizmach młodych sprzyja regeneracji i zapobiega zwłóknieniom w tkankach poprzez lokalną aktywacje stanu zapalnego, oraz chroni przed nowotworami (eliminacja komórek starych, u których starzenie spowodowane jest uszkodzeniami lub błędami). W organizmach w podeszłym wieku regeneracja jest upośledzona, a chroniczny stan zapalny działa negatywnie promując choroby (Ryc. 8). Wiedzy o skutkach zmian na poziomie komórkowym na cały organizm dostarczają badania przyczyn progerii. Wystarczy niewielka zmiana w kluczowym białku odgrywającym rolę w cyklu komórkowym (BubR1) lub niezbędnym do prawidłowej replikacji DNA (helikaza), albo zapewniającym odpowiednią strukturę otoczki jądrowej, a co za tym idzie strukturę chromatyny (lamina A), aby spowodować przedwczesne starzenie całego organizmu. To również wspiera tezę o kluczowej roli starzenia komórkowego w starzeniu organizmu. Gdy w komórce wzrasta liczba uszkodzeń DNA, przestaje się ona dzielić, starzeje się, i poprzez SASP wpływa na cały organizm. W zespołach przedwczesnego starzenia, gdzie wszystkie komórki posiadają wadliwe białko i w związku z tym dochodzi do szybszej akumulacji uszkodzeń, proces ten przebiega kilkukrotnie szybciej. Co składa się więc na obraz starzenia? W 2013 roku ukazała się praca zatytułowana The hallmarks of aging (Znaczniki starzenia) [45]. Zebrała ona wszystkie te zmiany na poziomie tkankowym, komórkowym i molekularnym, które przyczyniają się do końcowego efektu jakim jest starość (Ryc. 9). Należą do nich: na poziomie tkankowym wyczerpanie puli komórek macierzystych i zaburzenie komunikacji międzykomórkowej; na poziomie komórkowym nieprawidłowe funkcjonowanie mitochondriów, starzenie komórkowe oraz zmiana wrażliwości na związki odżywcze; na poziomie molekularnym - niestabilność genomowa, skracanie telomerów, zmiany epigenetyczne i zaburzenia struktury białek. Na każdą z tych zmian oddzielnie podjęto próby oddziaływania i w badaniach na myszach udowodniono ich skuteczność. Niestety takich działań nie można w prosty sposób przenieść do medy- Rycina 10. Zmiana podejścia terapeutycznego do procesu starzenia i chorób będących jego skutkiem. Obecne terapie skupiają się na leczeniu pojedynczych chorób. Terapie celowane przeciwko procesowi starzenia mogłyby przyczynić się do załagodzenia objawów wielu chorób jednocześnie. Na podstawie [61]. Postępy Biochemii 60 (2) 2014 157

cyny człowieka. Próbuje się jednak leczyć poszczególne schorzenia wieku podeszłego. Ale coraz szybciej przybywa zwolenników podejścia, iż lepiej zapobiegać starzeniu, spowolnić je i opóźnić pojawienie się chorób wieku podeszłego, niż leczyć pojedyncze choroby (Ryc. 10) [61]. Poszukuje się więc związków, najlepiej stanowiących suplementy diety codziennej, które mogłyby działać kompleksowo i spowalniać zmiany w organizmie zachodzące wraz z wiekiem. Przede wszystkim łagodzić chroniczny stan zapalny i wpływać na systemy naprawy. Kilka takich związków jest w fazie badań. Nie zahamujemy całkowicie procesu starzenia, przynajmniej w najbliższym czasie, ale poprzez świadome działanie możemy spróbować opóźnić go i jednocześnie zapobiegać pojawianiu się chorób wieku podeszłego. Podsumowując, starzenie komórkowe jest zarówno niezbędne (embrio- i organogeneza, regeneracja tkanek, ochrona przed nowotworem), jak i zgubne (chroniczny stan zapalny, wspieranie nowotworów) dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Chroni organizm we wczesnym okresie życia przed skutkami uszkodzeń komórek i tkanek, ale jednocześnie, w miarę upływu lat, przyczynia się do jego nieuchronnego starzenia. Wszystko wskazuje na to, że to właśnie zmiany na poziomie komórkowym odgrywają kluczowa rolę w starzeniu na wyższych poziomach organizacyjnych, czyli na poziomie tkanek i całego organizmu, i że właśnie starzenie komórkowe leży u podstaw nie tylko starzenia organizmu, ale i chorób wieku podeszłego. PIŚMIENNICTWO 1. Hayflick L, Moorhead PS (1961) The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res 25: 585-621 2. Witkowski JA (1979) Alexis Carrel and the mysticism of tissue culture. Med Hist 23: 279-296 3. Sikora E, Arendt T, Bennett M, Narita M (2011) Impact of cellular senescence signature on ageing research. Ageing Res Rev 10: 146-152 4. von Zglinicki T, Petrie J, Kirkwood TB (2003) Telomere-driven replicative senescence is a stress response. Nat Biotechnol 21: 229-230 5. Serrano AL, Andrés V (2004) Telomeres and cardiovascular disease: does size matter? Circ Res 94: 575-584 6. Kaul Z, Cesare AJ, Huschtscha LI, Neumann AA, Reddel RR (2011) Five dysfunctional telomeres predict onset of senescence in human cells. EMBO Rep 13: 52-9 7. Oeseburg H, de Boer RA, van Gilst WH, van der Harst P (2010) Telomere biology in healthy aging and disease. Pflugers Arch 459: 259-268 8. Galati A, Micheli E, Cacchione S (2013) Chromatin structure in telomere dynamics. Front Oncol 3: 46 9. Takai H, Smogorzewska A, de Lange T (2003) DNA damage foci at dysfunctional telomeres. Curr Biol 13: 1549-1556 10. Hayashi MT, Cesare AJ, Fitzpatrick JA, Lazzerini-Denchi E, Karlseder J (2012) A telomere-dependent DNA damage checkpoint induced by prolonged mitotic arrest. Nat Struct Mol Biol 19: 387-394 11. Moon IK, Jarstfer MB (2007) The human telomere and its relationship to human disease, therapy, and tissue engineering. Front Biosci 12: 4595-4620 12. Toussaint O, Medrano EE, von Zglinicki T (2000) Cellular and molecular mechanisms of stress-induced premature senescence (SIPS) of human diploid fibroblasts and melanocytes. Exp Gerontol 35: 927-945 13. von Zglinicki T (2002) Oxidative stress shortens telomeres. Trends Biochem Sci. 27: 339-44 14. Bielak-Zmijewska A, Wnuk M, Przybylska D, Grabowska W, Lewinska A, Alster O, Korwek Z, Cmoch A, Myszka A, Pikula S, Mosieniak G, Sikora E (2014) A comparison of replicative senescence and doxorubicin-induced premature senescence of vascular smooth muscle cells isolated from human aorta. Biogerontology 15: 47-64 15. Sliwinska MA, Mosieniak G, Wolanin K, Babik A, Piwocka K, Magalska A, Szczepanowska J, Fronk J, Sikora E (2009) Induction of senescence with doxorubicin leads to increased genomic instability of HCT116 cells. Mech Ageing Dev 130: 24-32 16. Roninson IB (2003) Tumor cell senescence in cancer treatment. Cancer Res. 63: 2705-15 17. Serrano M, Lin AW, McCurrach ME, Beach D, Lowe SW (1997) Oncogenic ras provokes premature cell senescence associated with accumulation of p53 and p16ink4a. Cell 88: 593-602 18. Fumagalli M, Rossiello F, Clerici M, Barozzi S, Cittaro D, Kaplunov JM, Bucci G, Dobreva M, Matti V, Beausejour CM, Herbig U, Longhese MP, d Adda di Fagagna F (2012) Telomeric DNA damage is irreparable and causes persistent DNA-damage-response activation. Nat Cell Biol 14: 355-365 19. d Adda di Fagagna F (2008) Living on a break: cellular senescence as a DNA-damage response. Nat Rev Cancer 8: 512-522 20. Sedelnikova OA, Horikawa I, Zimonjic DB, Popescu NC, Bonner WM, Barrett JC (2004) Senescing human cells and ageing mice accumulate DNA lesions with unrepairable double-strand breaks. Nat Cell Biol 6: 168-170 21. Mosieniak G, Adamowicz M, Alster O, Jaskowiak H, Szczepankiewicz AA, Wilczynski GM, Ciechomska IA, Sikora E (2012) Curcumin induces permanent growth arrest of human colon cancer cells: link between senescence and autophagy. Mech Ageing Dev 133: 444-455 22. Wang Y, Schulte BA, LaRue AC, Ogawa M, Zhou D (2006) Total body irradiation selectively induces murine hematopoietic stem cell senescence. Blood 107: 358-366 23. Takahashi A, Ohtani N, Yamakoshi K, Iida S, Tahara H, Nakayama K, Nakayama KI, Ide T, Saya H, Hara E (2006) Mitogenic signalling and the p16ink4a-rb pathway cooperate to enforce irreversible cellular senescence. Nat Cell Biol 8: 1291-1297 24. Koontongkaew S (2013) The Tumor Microenvironment Contribution to Development, Growth, Invasion and Metastasis of Head and Neck Squamous Cell Carcinomas. J Cancer 4: 66-83 25. Mirzayans R, Andrais B, Hansen G, Murray D (2012) Role of p16(in- K4A) in Replicative Senescence and DNA Damage-Induced Premature Senescence in p53-deficient Human Cells. Biochem Res Int 951574 26. Rodier F, Campisi J (2011) Four faces of cellular senescence. J Cell Biol 192: 547 556 27. Ragnauth CD (2010) Prelamin A Acts to Accelerate Smooth Muscle Cell Senescence and Is a Novel Biomarker of Human Vascular Aging. Circulation 121: 2200-2210 28. Herbert KE (2007) Angiotensin II mediated oxidative DNA damage accelerates cellular senescence in cultured human vascular smooth muscle cells via telomere-dependent and independent pathways. Circ Res 102: 201-208 29. Burton DGA (2010) Pathophysiology of vascular calcification: pivotal role of cellular senescence in vascular smooth muscle cells. Exp Geron 45: 819-824 30. Nakano-Kurimoto R (2009) Replicative senescence of vascular smooth muscle cells enhances the calcification through initiating the osteoblastic transition. Am J Physiol Heart Circ Physiol 297: 1673-1684 31. Bennett BJ, Scatena M, Kirk EA, Rattazzi M, Varon RM, Averill M, Schwartz SM, Giachelli CM, Rosenfeld ME (2006) Osteoprotegerin inactivation accelerates advanced atherosclerotic lesion progression and calcification in older ApoE-/- mice. Arterioscler Thromb Vasc Biol 26: 2117-2124 32. Candido R, Toffoli B, Corallini F, Bernardi S, Zella D, Voltan R, Grill V, Celeghini C, Fabris B (2009) Human full-length osteoprotegerin induces the proliferation of rodent vascular smooth muscle cells both in vitro and in vivo. J Vasc Res 47: 252-261 33. Saffrey MJ (2014) Aging of the mammalian gastrointestinal tract: a complex organ system. Age (Dordr) DOI 10.1007/s11357-013-9603-2 158 www.postepybiochemii.pl

34. Matsushita H, Chang E, Glassford AJ, Cooke JP, Chiu CP, Tsao PS (2001) enos activity is reduced in senescent human endothelial cells: Preservation by htert immortalization. Circ Res 89: 793-798 35. Cannon RO (1998) Role of nitric oxide in cardiovascular disease: focus on the endothelium. Clin Chem 44(8 Pt 2): 1809-19 36. Gannon J, Doran P, Kirwan A, Ohlendieck K (2009) Drastic increase of myosin light chain MLC-2 in senescent skeletal muscle indicates fast- -to-slow fibre transition in sarcopenia of old age. Eur J Cell Biol 88: 685-700 37. Baumann AP, Ibebunjo C, Grasser WA, Paralkar VM (2013) Myostatin expression in age and denervation-induced skeletal muscle atrophy. J Musculoskelet Neuronal Interact 3: 8-16 38. Demontis F, Piccirillo R, Goldberg AL, Perrimon N (2013) The influence of skeletal muscle on systemic aging and lifespan. Aging Cell 12: 943-949 39. Saini A, Mastana S, Myers F, Lewis MP (2013) From death, lead me to immortality mantra of ageing skeletal muscle. Curr Genomics 14: 256-267 40. Sousa-Victor P, Gutarra S, García-Prat L, Rodriguez-Ubreva J, Ortet L, Ruiz-Bonilla V, Jardí M, Ballestar E, González S, Serrano AL, Perdiguero E, Muñoz-Cánoves P (2014) Geriatric muscle stem cells switch reversible quiescence into senescence. Nature 506: 316-321 41. Nehlin JO, Just M, Rustan AC, Gaster M (2011) Human myotubes from myoblast cultures undergoing senescence exhibit defects in glucose and lipid metabolism. Biogerontology 12: 349-365 42. Siddiqi S, Sussman MA (2013) Cardiac Hegemony of Senescence. Curr Transl Geriatr Exp Gerontol Rep 2: 247-254 43. Tchkonia T, Morbeck DE, Von Zglinicki T, Van Deursen J, Lustgarten J, Scrable H, Khosla S, Jensen MD, Kirkland JL (2010) Fat tissue, aging, and cellular senescence. Aging Cell 9: 667-684 44. Kirkland JL (2002) Adipogenesis and Aging: Does Aging Make Fat Go MAD? Exp Gero 37: 757-767 45. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G (2013) The hallmarks of aging. Cell 153: 1194-1217 46. Krizhanovsky V, Yon M, Dickins RA, Hearn S, Simon J, Miething C, Yee H, Zender L, Lowe SW (2008) Senescence of activated stellate cells limits liver fibrosis. Cell 134: 657-667 47. Jun JI, Lau LF (2010) Cellular senescence controls fibrosis in wound healing. Aging (Albany NY) 2: 627-31 48. Dimri GP, Lee X, Basile G, Acosta M, Scott G, Roskelley C, Medrano EE, Linskens M, Rubelj I, Pereira-Smith O (1995) A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo. Proc Natl Acad Sci USA 92: 9363-9367 49. Wang C, Jurk D, Maddick M, Nelson G, Martin-Ruiz C, von Zglinicki T (2009) DNA damage response and cellular senescence in tissues of aging mice. Aging Cell 8: 311-323 50. Geng YQ, Guan JT, Xu XH, Fu YC (2010) Senescence-associated beta- -galactosidase activity expression in aging hippocampal neurons. Biochem Biophys Res Commun 396: 866-869 51. Jurk D, Wang C, Miwa S, Maddick M, Korolchuk V, Tsolou A, Gonos ES, Thrasivoulou C, Saffrey MJ, Cameron K, von Zglinicki T (2012) Postmitotic neurons develop a p21-dependent senescence-like phenotype driven by a DNA damage response. Aging Cell 11: 996-1004 52. Jeyapalan JC, Ferreira M, Sedivy JM, Herbig U (2007) Accumulation of senescent cells in mitotic tissue of aging primates. Mech Ageing Dev 128: 36-44 53. Herbig U, Ferreira M, Condel L, Carey D, Sedivy JM (2006) Cellular senescence in aging primates. Science 311: 1257 54. Jeyapalan JC, Sedivy JM (2008) Cellular senescence and organismal aging. Mech Ageing Dev 129: 467-74 55. Kreiling JA, Tamamori-Adachi M, Sexton AN, Jeyapalan JC, Munoz- -Najar U, Peterson AL, Manivannan J, Rogers ES, Pchelintsev NA, Adams PD, Sedivy JM (2011) Age-associated increase in heterochromatic marks in murine and primate tissues. Aging Cell 10: 292-304 56. Allsopp RC, Vaziri H, Patterson C, Goldstein S, Younglai EV, Futcher AB, Greider CW, Harley CB (1992) Telomere length predicts replicative capacity of human fibroblasts. Proc Natl Acad Sci USA 89: 10114-10118 57. Hastie ND, Dempster M, Dunlop MG, Thompson AM, Green DK, Allshire RC (1990) Telomere reduction in human colorectal carcinoma and with ageing. Nature 346: 866-868 58. Prokocimer M, Barkan R, Gruenbaum Y (2013) Hutchinson-Gilford progeria syndrome through the lens of transcription. Aging Cell 12: 533-543 59. Rossi ML, Ghosh AK, Bohr VA (2010) Roles of Werner syndrome protein in protection of genome integrity. DNA Repair (Amst) 9: 331-344 60. Naylor RM, Baker DJ, van Deursen JM (2013) Senescent cells: a novel therapeutic target for aging and age-related diseases. Clin Pharmacol Ther 93: 105-116 61. Niccoli T, Partridge L (2012) Ageing as a risk factor for disease. Curr Biol 22: R741-52 62. Gorenne I, Kavurma M, Scott S, Bennett M (2006) Vascular smooth muscle cell senescence in atherosclerosis. Cardiovasc Res. 72: 9-17 63. Erusalimsky JD, Skene C (2009) Mechanisms of endothelial senescence. Exp Physiol 94: 299-304 64. Minamino T, Komuro I (2007) Vascular cell senescence: contribution to atherosclerosis. Circ Res 100: 15-26 65. Matthews C, Gorenne I, Scott S, Figg N, Kirkpatrick P, Ritchie A, Goddard M, Bennett M (2006) Vascular smooth muscle cells undergo telomere-based senescence in human atherosclerosis: effects of telomerase and oxidative stress. Circ Res 99: 156-164 66. Wang M, Monticone RE, Lakatta EG (2010) Arterial aging: a journey into subclinical arterial disease. Curr Opin Nephrol Hypertens 19: 201-7 67. Westhoff JH, Hilgers KF, Steinbach MP, Hartner A, Klanke B, Amann K, Melk A (2008) Hypertension induces somatic cellular senescence in rats and humans by induction of cell cycle inhibitor p16ink4a. Hypertension 52: 123-129 68. Minamino T, Orimo M, Shimizu I, Kunieda T, Yokoyama M, Ito T, Nojima A, Nabetani A, Oike Y, Matsubara H, Ishikawa F, Komuro I (2009) A crucial role for adipose tissue p53 in the regulation of insulin resistance. Nat Med 15: 1082-1087 69. Minamino T (2010) Role of cellular senescence in lifestyle-related disease. Circ J 74: 2527-33 70. Tsuji T, Aoshiba K, Nagai A (2004) Cigarette smoke induces senescence in alveolar epithelial cells. Am J Respir Cell Mol Biol 31: 643-649 71. Minagawa S, Araya J, Numata T, Nojiri S, Hara H, Yumino Y, Kawaishi M, Odaka M, Morikawa T, Nishimura SL, Nakayama K, Kuwano K (2011) Accelerated epithelial cell senescence in IPF and the inhibitory role of SIRT6 in TGF-β-induced senescence of human bronchial epithelial cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 300: L391-401 72. Price JS, Waters JG, Darrah C, Pennington C, Edwards DR, Donell ST, Clark IM (2002) The role of chondrocyte senescence in osteoarthritis. Aging Cell 1: 57-65 73. Roberts S, Evans EH, Kletsas D, Jaffray DC, Eisenstein SM (2006) Senescence in human intervertebral discs. Eur Spine J 15 Suppl 3: S312-316 74. Stanley AC, Fernandez NN, Lounsbury KM, Corrow K, Osler T, Healey C, Forgione P, Shackford SR, Ricci MA (2005) Pressure-induced cellular senescence: a mechanism linking venous hypertension to venous ulcers. J Surg Res 124: 112-117 75. McShea A, Harris PL, Webster KR, Wahl AF, Smith MA (1997) Abnormal expression of the cell cycle regulators P16 and CDK4 in Alzheimer s disease. Am J Pathol 150: 1933-1939 76. Cohen G (1983) The pathobiology of Parkinson s disease: biochemical aspects of dopamine neuron senescence. J Neural Transm Suppl 19: 89-103 77. He N, Jin WL, Lok KH, Wang Y, Yin M, Wang ZJ (2013) Amyloid-β(1-42) oligomer accelerates senescence in adult hippocampal neural stem/progenitor cells via formylpeptide receptor 2. Cell Death Dis 4: e924 78. Baker DJ, Jeganathan KB, Cameron JD, Thompson M, Juneja S, Kopecka A, Kumar R, Jenkins RB, de Groen PC, Roche P, van Deursen Postępy Biochemii 60 (2) 2014 159

JM (2004) BubR1 insufficiency causes early onset of aging-associated phenotypes and infertility in mice. Nat Genet 36: 744-749 79. Matsumoto T, Baker DJ, d Uscio LV, Mozammel G, Katusic ZS, van Deursen JM. (2007) Aging-associated vascular phenotype in mutant mice with low levels of BubR1. Stroke 38: 1050-1056 80. Hartman TK, Wengenack TM, Poduslo JF, van Deursen JM (2007) Mutant mice with small amounts of BubR1 display accelerated age-related gliosis. Neurobiol Aging 28: 921-927 81. Baker DJ, Dawlaty MM, Wijshake T, Jeganathan KB, Malureanu L, van Ree JH, Crespo-Diaz R, Reyes S, Seaburg L, Shapiro V, Behfar A, Terzic A, van de Sluis B, van Deursen JM (2013) Increased expression of BubR1 protects against aneuploidy and cancer and extends healthy lifespan. Nat Cell Biol 15: 96-102 82. Baker DJ, Perez-Terzic C, Jin F, Pitel KS, Niederländer NJ, Jeganathan K, Yamada S, Reyes S, Rowe L, Hiddinga HJ, Eberhardt NL, Terzic A, van Deursen JM (2008) Opposing roles for p16ink4a and p19arf in senescence and ageing caused by BubR1 insufficiency. Nat Cell Biol 10: 825-836 83. Baker DJ, Weaver RL, van Deursen JM (2013) p21 both attenuates and drives senescence and aging in BubR1 progeroid mice. Cell Rep 3: 1164-1174 84. Baker DJ, Wijshake T, Tchkonia T, LeBrasseur NK, Childs BG, van de Sluis B, Kirkland JL, van Deursen JM (2011) Clearance of p16ink4a- -positive senescent cells delays ageing-associated disorders. Nature 479: 232-236 85. Jaskelioff M, Muller FL, Paik JH, Thomas E, Jiang S, Adams AC, Sahin E, Kost-Alimova M, Protopopov A, Cadiñanos J, Horner JW, Maratos- -Flier E, Depinho RA (2011) Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice. Nature 469: 102-106 86. Muñoz-Espín D, Cañamero M, Maraver A, Gómez-López G, Contreras J, Murillo-Cuesta S, Rodríguez-Baeza A, Varela-Nieto I, Ruberte J, Collado M, Serrano M (2013) Programmed cell senescence during mammalian embryonic development. Cell 155: 1104-1118 87. Storer M, Mas A, Robert-Moreno A, Pecoraro M, Ortells MC, Di Giacomo V, Yosef R, Pilpel N, Krizhanovsky V, Sharpe J, Keyes WM (2013) Senescence is a developmental mechanism that contributes to embryonic growth and patterning. Cell 155: 1119-1130 88. Nacher V, Carretero A, Navarro M, Armengol C, Llombart C, Rodríguez A, Herrero-Fresneda I, Ayuso E, Ruberte J (2006) The quail mesonephros: a new model for renal senescence? J Vasc Res 43: 581-586 89. Campisi J (2005) Senescent cells, tumor suppression, and organismal aging: good citizens, bad neighbors. Cell 120: 513-22 Impact of cellular senescence on organismal aging and age-related diseases Anna Bielak-Żmijewska, Wioleta Grabowska, Dorota Przybylska Laboratory of the Molecular Bases of Aging, Nencki Institute of Experimental Biology, 3 Pasteura St., 02-093 Warsaw, Poland e-mail: a.bielak@nencki.gov.pl Key words: cellular senescence, aging, age-related diseases, CVD ABSTRACT Development of the civilization and medicine enables an even longer lifespan of people. To modulate the aging process it is necessary to discover its molecular mechanism and its causes. It has been known for almost 60 years that cells undergo senescence. A lot of markers of senescence have been described to distinguish senescent cells. Every year we can observe an increase in the number of data, supporting the thesis that the reason for aging of the whole organism is cellular senescence. We age because cells building tissues and organs undergo senescence. It is also believed that cellular senescence can increase the frequency of age-related diseases. The role of cellular senescence strictly depends on the age of the individual. In young ones it is essential for: protection against cancer and tissue regeneration. In old ones it causes tissues and organs dysfunctions and leads to age-related diseases. Slowing down aging could prevent age-related diseases and this seems to be more promising than curing them. To enrich our knowledge concerning aging it is important to understand signaling pathways leading to senescence. Recently a new role of cellular senescence has been discovered, namely during embryogenesis. This observation is very surprising and shows a new face of cellular senescence. It is possible that, similarly to the previously described role of apoptosis in embryogenesis, senescence is indispensable for proper organogenesis. Cellular senescence seems to be the universal and fundamental process, the role of which changes during the lifespan. 160 www.postepybiochemii.pl