Предел Хейфлика: Ограничение делений нормальных клеток человека

Введение

Пределы деления нормальной человеческой клетки

Предел Хейфлика, или феномен Хейфлика, – это число делений, которое нормальная соматическая, дифференцированная популяция клеток человека способна совершить до прекращения клеточного деления. Однако это ограничение не распространяется на стволовые клетки. Концепция предела Хейфлика была предложена американским анатомом Леонардом Хейфликом в 1961 году.

Макфарлейн Бернет ввёл название «предел Хейфлика» в своей книге «Внутренняя мутагенез: генетический подход к старению», опубликованной в 1974 году. Однако другим учёным не удалось воспроизвести результаты Карреля.

Также была высказана гипотеза, что клетки, использованные Каррелем, были достаточно молоды, чтобы содержать плюрипотентные стволовые клетки, которые, при обеспечении питательным веществом для активации теломеразы, могли бы предотвратить репликативное старение или даже обратить его вспять. Культуры, не содержащие плюрипотентных стволовых клеток с активной теломеразой, были бы представлены клетками с неактивной теломеразой, которые подверглись бы ограничению в 50 ± 10 митозов до наступления клеточного старения, как описано в результатах Хейфлика. Затем Хейфлик поставил перед собой задачу доказать, что прекращение нормальной репликативной способности клеток, которое он наблюдал, не было вызвано вирусным загрязнением, неблагоприятными условиями культивирования или каким-либо неизвестным артефактом. Хейфлик объединился с Полом Мурхедом для проведения решающего эксперимента, чтобы исключить эти факторы как причинные. Мурхед, будучи опытным цитогенетиком, мог различать мужские и женские клетки в культуре. Эксперимент был проведён следующим образом: Хейфлик смешал равное количество нормальных мужских фибробластов человека, которые многократно делились (клетки 40-го удвоения популяции), с женскими фибробластами, которые делились меньше раз (клетки 15-го удвоения популяции). Несмешанные популяции клеток использовались в качестве контрольных групп. После 20 удвоений смешанной культуры остались только женские клетки. Деление клеток прекратилось в несмешанных контрольных культурах в ожидаемое время; когда мужская контрольная культура перестала делиться, в смешанной культуре остались только женские клетки. Это позволило предположить, что технические ошибки или контаминирующие вирусы маловероятно могли объяснить прекращение деления клеток в старых клетках, и доказало, что прекращение нормальной репликации клеток регулируется внутренним механизмом подсчёта, если только вирус или артефакт не мог бы различать мужские и женские клетки (чего он не мог). Это происходит из-за неравномерного характера репликации ДНК, когда ведущая и отстающая цепи не реплицируются симметрично. Теломерный регион ДНК не кодирует какие-либо белки; это просто повторяющийся код на концевых участках линейных эукариотических хромосом. После многочисленных делений теломеры достигают критической длины, и клетка становится стареющей. Именно в этот момент клетка достигает своего предела Хейфлика. Хейфлик первым сообщил, что только раковые клетки бессмертны. Это не могло быть продемонстрировано до тех пор, пока он не доказал, что нормальные клетки смертны. Предлагаемым методом лечения рака является использование ингибиторов теломеразы, которые препятствовали бы восстановлению теломер, позволяя клетке умирать, как и другие клетки организма.

Also, it has been theorized that the cells Carrel used were young enough to contain pluripotent stem cells, which, if supplied with a supporting telomerase activation nutrient, would have been capable of staving off replicative senescence, or even possibly reversing it. Cultures not containing telomerase active pluripotent stem cells would have been populated with telomerase inactive cells, which would have been subject to the 50 ± 10 mitosis event limit until cellular senescence occurs as described in Hayflick's findings. Hayflick next set out to prove that the cessation of normal cell replicative capacity that he observed was not the result of viral contamination, poor culture conditions or some unknown artifact. Hayflick teamed with Paul Moorhead for the definitive experiment to eliminate these as causative factors. As a skilled cytogeneticist, Moorhead was able to distinguish between male and female cells in culture. The experiment proceeded as follows: Hayflick mixed equal numbers of normal human male fibroblasts that had divided many times (cells at the 40th population doubling) with female fibroblasts that had divided fewer times (cells at the 15th population doubling). Unmixed cell populations were kept as controls. After 20 doublings of the mixed culture, only female cells remained. Cell division ceased in the unmixed control cultures at the anticipated times; when the male control culture stopped dividing, only female cells remained in the mixed culture. This suggested that technical errors or contaminating viruses were unlikely explanations as to why cell division ceased in the older cells, and proved that unless the virus or artifact could distinguish between male and female cells (which it could not) then the cessation of normal cell replication was governed by an internal counting mechanism. This occurs due to the uneven nature of DNA replication, where leading and lagging strands are not replicated symmetrically. The telomeric region of DNA does not code for any protein; it is simply a repeated code on the end region of linear eukaryotic chromosomes. After many divisions, the telomeres reach a critical length and the cell becomes senescent. It is at this point that a cell has reached its Hayflick limit. Hayflick was the first to report that only cancer cells are immortal. This could not have been demonstrated until he had demonstrated that normal cells are mortal. A proposed treatment for cancer is the usage of telomerase inhibitors that would prevent the restoration of the telomere, allowing the cell to die like other body cells.

Старение организма

Хейфлик предположил, что его результаты, показывающие ограниченную способность нормальных клеток к репликации, могут иметь значение для понимания старения человека на клеточном уровне. Кроме того, было предложено, что ранее выдвигавшееся утверждение об обратной корреляции между репликативной способностью нормальных клеточных штаммов человека и возрастом донора, из которого эти клетки были получены, не подтверждается. Теперь стало ясно, что по крайней мере часть этих противоречивых результатов связана с мозаичностью количества реплицированных клеток в различных тканях, откуда они были взяты. Сравнение разных видов указывает на то, что клеточная репликативная способность может в большей степени коррелировать с массой тела вида, но вероятнее – с продолжительностью жизни вида. Таким образом, ограниченная способность клеток к репликации в культуре может быть напрямую связана со старением организма.