научный обзор

SASP: ассоциированный с клеточным старением секреторный фенотип

    Автор: Алексей Ржешевский
    Вёрстка: Арина Егорова
    Долгое время считалось, что процесс старения, как явление, присуще лишь организмам в целом и не существует у отдельных клеток. Такая точка зрения изменилась в начале 60-х годов прошлого века после того, как Л.Хейфлик и П.Мурхед в опытах с фибробластами установили, что клетки не делятся бесконечно и «стареют». Тогда же был введён специальный термин, обозначающий клеточное старение — сенесцентность (senescence).
    Клеточное старение —
    необратимая потеря пролиферативного потенциала метаболически активных клеток, возникающая как следствие нерепарируемых повреждений ДНК.
    Дальнейшие работы в этом направлении показали, что существует как минимум три вида (типа) клеточного старения:
    1
    Репликативное: клеточный цикл останавливается под влиянием укорочения теломер.
    2
    Онкоген-индуцированное, вызванное активацией онкогенов, таких как RAS и RAF, связанное с подавлением опухоли.
    3
    Стресс-индуцированное, возникающее в ответ на стрессовые факторы различной природы: ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, увеличение уровня АФК, химиотерапевтические препараты.
    Но, как выяснилось, клеточное старение — это не просто пассивное накопление потерявших пролиферативный потенциал клеток в тканях. Старые, переставшие делиться клетки активно влияют на своё микроокружение, окружающие их ткани. Они секретируют целый ряд молекул (всего около 40 различных видов), среди которых провоспалительные цитокины, хемокины, факторы роста, протеазы. Эти молекулы были объединены в общую группу, названную "Ассоциированный с клеточным старением секреторный фенотип" (senescence associated secretory phenotype, SASP).

    Сам термин SASP был введён в 2008 году Джуди Кампизи и соавторами [1].
    Все факторы SASP по молекулярным механизмам действия можно разделить на 3 большие группы:
    1
    Связывающиеся с рецепторами.
    В эту группу входят растворимые сигнальные молекулы: цитокины, хемокины и ростовые факторы. Они оказывают влияние на окружающие близлежащие клетки, связываясь с поверхностными рецепторами на их мембранах и запуская внутриклеточные сигнальные каскады. Характерные представители этой группы: интерлейкины IL-6, IL-8, IL-1a, хемокины GROα, GROβ, CCL-2, CCL-5, CCL-16, CCL-26, CCL-20, ростовые факторы HGF, FGF, TGFβ, GM-CSF.
    2
    Прямого действия.
    В эту группу входят матриксные металлопротеазы (ММР-1, ММР-10, ММР-3) и сериновые протеазы (тканевый активатор плазминогена (tPA) и урокиназный активатор плазминогена (uPA)). Эти факторы действуют, расщепляя мембраносвязанные белки, разрушая сигнальные молекулы и ремоделируя внеклеточный матрикс. Таким образом, стареющие клетки, секретирующие факторы SASP, модифицируют свое микроокружение. К этой же группе SASP относятся активные формы кислорода и азота, способные повреждать соседние клетки.
    3
    Регуляторные факторы.
    В эту группу входят тканевые ингибиторы металлопротеаз (TIMP), ингибитор активатора плазминогена (PAI) и белки, связывающие инсулиноподобный фактор роста (IGFBP). Эти факторы действуют не самостоятельно, они регулируют функционирование факторов SASP первой и второй группы, связываясь с ними [2].
    Кроме этого, в 2016 году в качестве еще одного фактора SASP были описаны внеклеточные везикулы — везикулы, ассоциированные с микроРНК.

    Ранние исследования показали, что секреция внеклеточных везикул усиливается в клетках, находящихся в стрессовых условиях. В частности, было показано, что изменение уровня внутриклеточного кальция и изменения синаптической активности способствуют высвобождению внеклеточных везикул [3, 4].

    Предположительно, клетки в состоянии стресса различной природы высвобождают внеклеточные везикулы, чтобы утилизировать токсичные или ненужные вещества. Также возможно, что главная цель секреции внеклеточных везикул состоит в том, чтобы передать содержащиеся в них факторы окружающим клеткам. Возможно, оба предположения верны и высвобождение внеклеточных везикул происходит для избавления от ненужных веществ и передачи своего стресса окружающим тканям.
    Кроме прочего, внеклеточные везикулы могут содержать определённые микроРНК, которые высвобождаются во внеклеточную среду старыми клетками. Было обнаружено, что внеклеточные везикулы оказывают влияние на соседние клетки и на клетки, расположенные на значительном удалении, причем как инициируя, так и подавляя клеточное старение, в зависимости от состава микроРНК. По мнению исследователей, анализ микроРНК, которые присутствуют во внеклеточных везикулах, высвобождаемых из сенесцентных клеток, очень важен, так как микроРНК могут потенциально передавать сигналы в окружающие ткани как полезные (связанные с регенерацией ткани и заживлением ран), так и/или вредные (то есть вызывая старение или стимулируя онкогенную трансформацию соседних клеток).

    Кроме того, везикулярные микроРНК интересны в контексте поиска биомаркеров старения, поскольку их можно легко амплифицировать (многократно увеличить число копий нуклеотидных последовательностей) из небольшого количества биологического образца [5].
    Регуляторные механизмы, связанные с SASP чрезвычайно многообразны и ещё не до конца изучены.
    Известно, что секреция SASP представляет собой многостадийный процесс, состоящий из нескольких фаз.
    1
    Первая фаза секреции начинается сразу после повреждения ДНК и продолжается в течение 36 часов. В этой фазе клеточное старение ещё может быть отменено посредством полной репарации ДНК или же апоптоза.
    2
    Затем следует фаза «раннего» SASP, которая продолжается в течение нескольких дней после ареста клеточного цикла, что сопровождается появлением основных факторов SASP.
    3
    В течение следующих 10 дней под влиянием аутокринного воздействия SASP происходит усиление секреции большинства факторов и формируется завершающий этап — «зрелый» SASP.
    Установлено, что в этих процессах формирования разных этапов важную роль играют петли положительной обратной связи, когда одни возникшие факторы инициируют возникновение других, запуская цепные реакции [6, 7].
    Регуляция SASP происходит как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях. И ключевую роль здесь выполняет известная провоспалительная молекула, ядерный фактор kB (NF-kB).

    Также секреция SASP регулируется генами, участвующими в реакции ответа на повреждение ДНК (ATM, Chk2, NBS1 и др.), также недавно была описана роль белка mTOR в регуляции SASP [8].

    Функциональная роль SASP в разнообразных биологических процессах сегодня активно изучается. Как установлено, факторы SASP играют важную роль в ремоделировании тканей в эмбриональном развитии, когда под их воздействием перестраивается как организм матери, так и эмбриона.
    Так, при активном участии факторов SASP происходит ремоделирование сосудистой сети будущей матери на ранних сроках беременности.

    Зафиксировано, что в организме плода в процессе эмбрионального развития происходит появление сенесцентных клеток, которые посредством SASP запускают сигнальные каскады по удалению ненужных клеток, что необходимо при формировании структур эмбриона [9].
    Также механизм действия SASP связан с рядом защитных механизмов: подавления опухолей, восстановления после травм и регенерацией тканей. Так, было подробно изучено и описано участие SASP в заживлении ран.

    1. Гемостаз;
    2. Воспаление;
    3. Пролиферация;
    4. Ремоделирование.
    Восстановление тканей представляет собой сложный процесс, включающий четыре различных перекрывающихся фазы:
    1
    Гомеостаз
    2
    Воспаление
    3
    Пролиферация
    4
    Ремоделирование
    Эти фазы отчетливо проявляются при заживлении ран на коже. Закрытие раны происходит во время фазы пролиферации как следствие сокращения раны, что связано, прежде всего, с образованием вновь синтезированной грануляционной ткани и индукцией специализированных сократительных фибробластов, называемых миофибробластами.

    В каждой фазе заживления ран участвуют растворимые факторы, часть из которых являются факторами SASP [10, 11].

    В ходе исследований было показано, что сенесцентные фибробласты и эндотелиальные клетки появляются в месте возникновения раны через несколько дней после повреждения кожи. Эти ассоциированные с раной стареющие клетки затем способствуют оптимальному заживлению ран, секретируя PDGF-A, фактор SASP, который способствует дифференцировке миофибробластов [12].
    Также в процессе заживления ран происходят фиброгенные процессы (активный синтез коллагена) для восстановления повреждённой ткани. Но если организм вовремя не включит «стоп-сигнал», фиброгенные процессы могут стать патологическими и привести к формированию фиброза в тканях.

    Чтобы этого не произошло, при заживлении предусмотрены противодействующие фиброзу механизмы. Так, описано участие белка CCN1/CYR61 в подавлении развития фиброза посредством стимуляции старения фибробластов и повышения экспрессии антифибротических генов [13].

    Также было обнаружено, что для противодействия формирования фиброза печени непременным условием выступает сенесцентность звёздчатых клеток печени [14].
    Кроме этого, в разрушении избыточного коллагена активно участвуют матричные металлопротеиназы, секретируемые сенесцентными клетками и относящиеся к факторам SASP.

    В связи с этим возникла гипотеза, которую продвигает исследователь старения А.Фединцев, о том, как может действовать один из механизмов старения, связанный с регенерацией ткани. С возрастом в организме накапливаются сшивки коллагена, образующиеся под воздействием конечных продуктов гликирования. Системы антифиброзной защиты могут распознавать их как угрозу в виде формирующегося фиброза. В результате происходит активация процессов сенесцентности и повышенной секреции факторов SASP, которые призваны разрушить избыточный сшитый коллаген. Но, так как он в силу своего строения плохо подвластен разрушающему действию матричных металлопротеиназ, продолжающаяся повышенная секреция факторов SASP переходит в патологическую форму, способствуя развитию хронического воспаления и целого ряда патологий, среди которых сердечно сосудистые заболевания, остеопороз и остеоартрит, диабет и болезни печени, респираторные и нейродегенеративные патологии [15–18].

    Двойная роль клеточного старения и факторов SASP в молодом и пожилом возрасте хорошо вписывается в канву эволюционной теории антагонистической плейотропии. Согласно этой теории, процессы, которые закрепились в эволюции для повышения выживаемости молодых организмов, могут иметь накапливающиеся вредные эффекты у более старых особей.

    Так, механизмы, связанные с сенесцентными клетками, в молодом возрасте задействованы при беременности, восстановлении после травм, защите от опухолей. В более же пожилом возрасте те же самые механизмы вызывают системное воспаление, дегенерацию тканей и развитие патологий [19].
    Список литературы
    1. Coppé JP, Patil CK, Rodier F, Sun Y, Muñoz DP, Goldstein J, Nelson PS, Desprez PY, Campisi J. Senescence-associated secretory phenotypes reveal cell-nonautonomous functions of oncogenic RAS and the p53 tumor suppressor. PLoS Biol. 2008 Dec 2;6(12):2853-68.
    2. А.В.Бородкина, П.И.Дерябин, А.А.Грюкова, Н.Н.Никольский. «Социальная жизнь" стареющих клеток: что такое SASP и зачем его изучать? Acta Naturae. 2018. 10(1):4-14.
    3. Savina A., Furlan M., Vidal M., Colombo M.I. Exosome release is regulated by a calcium dependent mechanism in K562 cells. J. Biol. Chem. 2003;278:20083–20090.
    4. Lachenal G., Pernet-Gallay K., Chivet M., Hemming F.J., Belly A., Bodon G., Blot B., Haase G., Goldberg Y., Sadoul R. Release of exosomes from differentiated neurons and its regulation by synaptic glutamatergic activity. Mol. Cell. Neurosci. 2011;46:409–418.
    5. Urbanelli L, Buratta S, Sagini K, Tancini B4, Emiliani C. Int J Mol Sci. Extracellular Vesicles as New Players in Cellular Senescence. 2016 Aug 26;17(9). pii: E1408.
    6. Malaquin N, Martinez A, Rodier F. Keeping the senescence secretome under control: Molecular reins on the senescence-associated secretory phenotype. Exp Gerontol. 2016 Sep;82:39-49.
    7. Baker DJ, Sedivy JM. Probing the depths of cellular senescence. J Cell Biol. 2013 Jul 8;202(1):11-3.
    8. Herranz N, Gallage S et al. mTOR regulates MAPKAPK2 translation to control the senescence-associated secretory phenotype. Nat Cell Biol. 2015 Sep;17(9):1205-17.
    9. 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. Programmed cell senescence during mammalian embryonic development. Cell. 2013 Nov 21;155(5):1104-18.
    10. Midwood KS, Williams LV, Schwarzbauer JE. Tissue repair and the dynamics of the extracellular matrix. Int J Biochem Cell Biol. 2004;36:1031–1037.
    11. Tomasek JJ, Gabbiani G, Hinz B, Chaponnier C, Brown RA. Myofibroblasts and mechano-regulation of connective tissue remodelling. Nat Rev Mol Cell Biol.2002;3:349–363.
    12. Marco Demaria, Ohtani N, Youssef SA, Rodier F, Toussaint W, Mitchell JR, Laberge RM, Vijg J, Van Steeg H, Dolle ME, et al. 2014. An essential role for senescent cells in optimal wound healing through secretion of PDGF-AA. Dev Cell 31: 722–733.
    13. Jun JI, Lau LF. The matricellular protein CCN1 induces fibroblast senescence and restricts fibrosis in cutaneous wound healing. Nat Cell Biol. 2010;12:676–685.
    14. Krizhanovsky V, Yon M, Dickins RA, Hearn S, Simon J, Miething C, Yee H, Zender L, Lowe SW. Senescence of activated stellate cells limits liver fibrosis. Cell.2008;134:657–667.
    15. Erusalimsky JD, Kurz DJ. Cellular senescence in vivo: its relevance in ageing and cardiovascular disease. Exp Gerontol. 2005;40:634–642.
    16. Martin JA, Buckwalter JA. The role of chondrocyte senescence in the pathogenesis of osteoarthritis and in limiting cartilage repair. J Bone Joint Surg Am. 2003;85-A(Suppl 2):106–110.
    17. Noureddine H, Gary-Bobo G, Alifano M, Marcos E, Saker M, Vienney N, Amsellem V, Maitre B, Chaouat A, Chouaid C, et al. Pulmonary artery smooth muscle cell senescence is a pathogenic mechanism for pulmonary hypertension in chronic lung disease. Circ Res. 2011;109:543–553.
    18. Baker DJ, Petersen RC. Cellular senescence in brain aging and neurodegenerative diseases: evidence and perspectives. J Clin Invest. 2018 Apr 2;128(4):1208-1216.
    19. Shankar J. Chinta, Georgia Woods, Anand Rane, Marco Demaria, Judith Campisi, and Julie K Andersen. Cellular senescence and the aging brain. Exp Gerontol. 2015 Aug; 68: 3–7.
    comments powered by HyperComments