Hayflick limit - Hayflick limit

Animace struktury části DNA . Tyto báze leží horizontálně mezi dvěma spirálovitě vláken. Dusík : modrý, kyslík : červený, uhlík : zelený, vodík : bílý, fosfor : oranžový

Hayflickův mez , nebo Hayflickův jev , je počet případů, kdy normální somatické , diferencované se lidská buněčná populace před rozdělit buněčného dělení dorazy. Tento limit však neplatí pro kmenové buňky .

Koncept Hayflickova limitu byl zdokonalen americkým anatomem Leonardem Hayflickem v roce 1961 ve Wistar Institute ve Philadelphii v Pensylvánii . Hayflick prokázal, že normální lidská populace fetálních buněk se v buněčné kultuře rozdělí 40 až 60krát, než vstoupí do fáze stárnutí . Toto zjištění vyvrátilo tvrzení Alexise Carrela, že normální buňky jsou nesmrtelné .

Pokaždé, když buňka podstoupí mitózu , telomery na koncích každého chromozomu se mírně zkrátí. Dělení buněk se zastaví, jakmile se telomery zkrátí na kritickou délku. Hayflick interpretoval svůj objev jako stárnutí na buněčné úrovni. Zdá se, že stárnutí buněčných populací koreluje s celkovým fyzickým stárnutím organismu.

Macfarlane Burnet razil název „Hayflickův limit“ ve své knize Intrinsic Mutagenesis: A Genetic Approach to Aging , vydané v roce 1974.

Dějiny

Víra v nesmrtelnost buněk

Před objevem Leonarda Hayflicka se věřilo, že buňky obratlovců mají neomezený potenciál replikace. Alexis Carrel , chirurg, který získal Nobelovu cenu , uvedl, že „všechny buňky vysvětlené v tkáňové kultuře jsou nesmrtelné a že nedostatek kontinuální replikace buněk je způsoben nevědomostí o tom, jak buňky nejlépe kultivovat“. Tvrdil, že kultivoval fibroblasty ze srdcí kuřat (která obvykle žijí 5 až 10 let) a udržuje kulturu v růstu 34 let.

Jiní vědci však nedokázali replikovat Carrelovy výsledky a jsou podezřelí kvůli chybě v experimentálním postupu. Aby byly poskytnuty požadované živiny, mohly být embryonální kmenové buňky kuřat denně znovu přidávány do kultury. To by snadno umožnilo kultivaci nových, čerstvých buněk v kultuře, takže nedošlo k nekonečné reprodukci původních buněk. Spekulovalo se, že Carrel o této chybě věděl, ale nikdy to nepřiznal.

Rovněž se teoretizovalo, že buňky, které Carrel použil, byly dostatečně mladé na to, aby obsahovaly pluripotentní kmenové buňky , které, pokud by byly dodávány s podpůrnou živinou aktivující telomerázu , by byly schopné zabránit replikační senescenci nebo ji dokonce zvrátit. Kultury, které neobsahují telomerázou aktivní pluripotentní kmenové buňky, by byly osídleny buňkami neaktivními telomerázou, které by podléhaly limitu události mitózy 50 ± 10, dokud nedojde k buněčné senescenci , jak je popsáno v Hayflickových nálezech.

Experiment a objevování

Hayflick nejprve začal být podezřelý z Carrelových tvrzení při práci v laboratoři ve Wistarově institutu. Hayflick si všiml, že jedna z jeho kultur embryonálních lidských fibroblastů vyvinula neobvyklý vzhled a že se dělení buněk zpomalilo. Zpočátku to odstranil jako anomálii způsobenou kontaminací nebo technickou chybou. Později však pozoroval jiné buněčné kultury vykazující podobné projevy. Hayflick zkontroloval svůj výzkumný zápisník a s překvapením zjistil, že všechny atypické buněčné kultury byly kultivovány přibližně na své 40. zdvojení, zatímco mladší kultury nikdy nevykazovaly stejné problémy. Kromě toho byly podmínky mezi mladší a starší kulturou, které pozoroval, podobné - stejné kultivační médium, kultivační nádoby a technik. To ho přivedlo k pochybnostem, že tyto projevy byly způsobeny kontaminací nebo technickou chybou.

Hayflick dále vyrazil dokázat, že zastavení normální replikační kapacity buněk, které pozoroval, nebylo důsledkem virové kontaminace, špatných kultivačních podmínek nebo nějakého neznámého artefaktu. Hayflick se spojil s Paulem Moorheadem k definitivnímu experimentu, který by je odstranil jako příčinné faktory. Jako zkušený cytogenetik dokázal Moorhead v kultuře rozlišovat mezi mužskými a ženskými buňkami. Experiment probíhal následovně: Hayflick smíchal stejný počet normálních lidských mužských fibroblastů, které se mnohokrát rozdělily (buňky u 40. populace se zdvojnásobily), se samičími fibroblasty, které se dělily méněkrát (buňky u 15. zdvojnásobení populace). Nesmíšené buněčné populace byly drženy jako kontroly. Po 20 zdvojnásobení smíšené kultury zůstaly pouze ženské buňky. Buněčné dělení přestalo v nesmíšených kontrolních kulturách v předpokládaných časech; Když se mužská kontrolní kultura přestala dělit, zůstaly ve smíšené kultuře pouze ženské buňky. To naznačovalo, že technické chyby nebo kontaminující viry jsou nepravděpodobné vysvětlení, proč ve starších buňkách přestalo dělení buněk, a ukázalo se, že pokud virus nebo artefakt nedokáže rozlišit mezi mužskými a ženskými buňkami (což nemohl), pak zastavení normální replikace buněk byl řízen interním počítacím mechanismem.

Tyto výsledky vyvrátily Carrelova tvrzení o nesmrtelnosti a stanovily Hayflickův limit jako věrohodnou biologickou teorii. Na rozdíl od Carrelova experimentu, Hayflickovy byly úspěšně opakovány jinými vědci.

L. Franks a další (Loo et al. 1987; Nooden a Tompson 1995; Frolkis 1988a) však prokázali, že počet buněčných dělení může být podstatně větší než počet stanovený „Hayflickovým limitem“, který prakticky nemá při Všechno.

Fáze buněk

Hayflick popisuje tři fáze života normálních kultivovaných buněk. Na začátku svého experimentu pojmenoval primární kulturu „první fáze“. Fáze dvě je definována jako období, kdy buňky proliferují; Hayflick tomu říkal doba „bujného růstu“. Po měsících zdvojnásobení buněk nakonec dosáhl fáze tři, což je jev, který nazval „ stárnutí “, kde se rychlost replikace buněk zpomalí, než se úplně zastaví.

Délka telomer

Typická normální lidská fetální buňka se před stárnutím rozdělí mezi 50 a 70krát. Jak se buňka rozděluje, telomery na koncích chromozomů se zkracují. Hayflickův limit je limit pro replikaci buněk způsobený zkrácením telomer s každým dělením. Tato koncová fáze je známá jako buněčná senescence .

Bylo zjištěno, že Hayflickův limit koreluje s délkou telomerické oblasti na konci chromozomů. Během procesu replikace DNA chromozomu nelze kopírovat malé segmenty DNA v každé telomerě a jsou ztraceny. K tomu dochází v důsledku nerovnoměrné povahy replikace DNA, kdy se vedoucí a zaostávající vlákna nereplikují symetricky. Telomerická oblast DNA nekóduje žádný protein; je to jednoduše opakovaný kód v koncové oblasti lineárních eukaryotických chromozomů. Po mnoha rozděleních dosáhnou telomery kritické délky a buňka začne stárnout. V tomto okamžiku buňka dosáhla svého Hayflickova limitu.

Hayflick byl první, kdo oznámil, že pouze rakovinné buňky jsou nesmrtelné. To nebylo možné prokázat, dokud neprokázal, že normální buňky jsou smrtelné. Buněčná senescence se nevyskytuje ve většině rakovinných buněk v důsledku exprese enzymu zvaného telomeráza . Tento enzym prodlužuje telomery, brání zkracování telomer rakovinných buněk a dává jim nekonečný replikační potenciál. Navrhovanou léčbou rakoviny je použití inhibitorů telomerázy , které by zabránily obnově telomer a umožnily buňce zemřít jako jiné tělesné buňky.

Organické stárnutí

Hayflick navrhl, že jeho výsledky, ve kterých mají normální buňky omezenou replikační kapacitu, mohou mít význam pro pochopení lidského stárnutí na buněčné úrovni.

Bylo publikováno, že omezená replikační schopnost lidských fibroblastů pozorovaná v buněčné kultuře je mnohem větší než počet replikačních událostí, ke kterým dochází u jiných než kmenových buněk in vivo během normální postnatální délky života. Kromě toho bylo navrženo, že neexistuje žádná inverzní korelace mezi replikační schopností normálních kmenů lidských buněk a věkem lidského dárce, ze kterého byly buňky odvozeny, jak bylo dříve uvedeno. Nyní je zřejmé, že přinejmenším některé z těchto proměnných výsledků lze přičíst mozaicismu počtu replikace buněk na různých místech těla, kde byly buňky odebrány.

Srovnání různých druhů naznačuje, že buněčná replikační kapacita může primárně korelovat s tělesnou hmotností druhů, ale pravděpodobněji s délkou života druhu. Omezená schopnost buněk replikovat se v kultuře tedy může být přímo relevantní pro stárnutí organismu.

Viz také

Reference


Další čtení