Tế bào gốc của da và cơ bắp thay đổi nhịp sinh học khác nhau với lão hóa • Polina Loseva • Tin khoa học về “Yếu tố” • Di truyền học

Tế bào gốc của da và cơ bắp thay đổi nhịp sinh học khác nhau trong quá trình lão hóa

Hình 1. Những thay đổi liên quan đến tuổi tác trong các tế bào gốc của da và cơ bắp của chuột. Nhịp điệu của các quá trình được bảo tồn, nhưng các quá trình tự trải qua những thay đổi: với sự lão hóa, nó là cần thiết để đáp ứng với sự căng thẳng tích lũy. Tuy nhiên, hạn chế trong hàm lượng calo của thực phẩm cho phép bạn lập trình lại chu trình theo hướng của một trạng thái trẻ hơn. Hình ảnh từ bài báo được thảo luận trong tạp chí Cell

Chu trình hàng ngày không chỉ ảnh hưởng đến hoạt động tổng thể của sinh vật có vú, mà còn ảnh hưởng đến các quá trình bên trong tế bào, kể cả tế bào gốc. Nó cũng được biết rằng với độ tuổi số lượng và hiệu suất của các tế bào này giảm. Các nhà khoa học từ Tây Ban Nha và Hoa Kỳ đã nghiên cứu những gì xảy ra với các quá trình tuần hoàn trong các tế bào gốc của các mô khác nhau của chuột trong quá trình lão hóa. Hóa ra là cuộc sống của các tế bào gốc tiếp tục tuân theo nhịp sinh học, tuy nhiên, tập hợp các quá trình tuần hoàn khác nhau tùy thuộc vào loại mô và nhu cầu của nó. Đồng thời, các nhà khoa học đã có thể giảm thiểu tác động của việc sắp xếp lại loạn nhịp tim liên quan đến tuổi tác bằng cách đưa chuột vào chế độ ăn ít calo.

Hoạt động của hầu hết sinh vật sống trực tiếp phụ thuộc vào thời gian trong ngày. Tín hiệu về mức độ chiếu sáng đi vào hệ thần kinh (hoặc các chất tương tự của nó), từ đó, tiết ra kích thích tố hoạt động trên các hệ thống khác nhau của cơ thể.Kết quả là nhịp sinh học hàng ngày (hoặc sinh học) – biến động trong công việc của các cơ quan, mô và thậm chí cả các tế bào riêng biệt. Ví dụ, ở người, hạt nhân siêu chi của vùng dưới đồi chịu trách nhiệm về nhịp sinh học, mà các tế bào thần kinh của nó gửi tín hiệu đến tuyến tùng và kích hoạt sự giải phóng hormone melatonin vào ban đêm. Và melatonin đã điều chỉnh công việc của các cơ quan riêng lẻ. Kết quả là, vào ban đêm, nhiệt độ và áp suất, ruột và hoạt động tim mạch bị giảm ở người. Các quá trình tuần hoàn cũng được quan sát ở cấp độ tế bào – ví dụ, tế bào gan hấp thu các chất theo nhịp sinh học, và các tế bào lông nang phân chia. Nghiên cứu đang được thảo luận, chúng tôi lưu ý ngay lập tức, được tiến hành trên những con chuột được ăn đêm, vì vậy hầu hết các chu kỳ hoạt động hoàn toàn ngược lại, và đỉnh hoạt động rơi vào thời gian tối tăm trong ngày.

Hoạt động tuần hoàn là quan trọng, có vẻ như, chỉ cho một sinh vật trưởng thành – chuột, đột biến cho các gen kiểm soát nhịp sinh dục, được sinh ra khỏe mạnh, và khuyết tật trong công việc của các cơ quan bắt đầu biểu hiện sau này. Nhưng với tuổi tác, ngay cả trong các sinh vật khỏe mạnh, một số nhịp sinh học bị vi phạm.Ví dụ, ở người, việc sản xuất melatonin bởi tuyến tùng dần giảm, vì vậy chu kỳ ngủ và thức tỉnh bị mất, và những người lớn tuổi thường dễ bị chứng mất ngủ hơn người trẻ. Và sau đó câu hỏi đặt ra: liệu lão hóa có ảnh hưởng đến quá trình tuần hoàn ở mức độ của các tế bào riêng lẻ và chúng ta có thể bằng cách nào đó ảnh hưởng đến nó hay thậm chí ngăn chặn nó?

Các tế bào gốc có thể phân chia trong suốt cuộc đời của một người là nguồn lực để làm mới các mô cơ thể. Như trong các tế bào khác, các chu kỳ hàng ngày nhất định được quan sát thấy trong chúng, đó là, vào ban đêm, biểu hiện của một bộ gen được tăng lên và một số quá trình diễn ra, trong khi các quá trình khác xảy ra trong ngày. Các tác giả của nghiên cứu đã kiểm tra hai loại tế bào gốc chuột – biểu bì (EPSC) và cơ (MSC) làm ví dụ về các quần thể tế bào thường và hiếm khi phân chia, tương ứng.

Sinh lý của tế bào gốc trong cơ thể thay đổi tùy theo nhu cầu của các mô. EPSK có trong da, và do đó thường phải phân chia và phân biệt thành các tế bào da. Ở chuột, phân chia EPSK được kiểm soát bởi biorhythm hàng ngày và xảy ra vào ban đêm. Điều này là do thực tế là thứ có giá trị nhất trong tế bào gốc, đó là, DNA, phải được bảo vệ khỏi các lỗi và sự cố, và nguyên nhân chính của chúng thường là ánh sáng.Dưới ảnh hưởng của các cơ sở nitơ cực tím mặt trời trong DNA có thể hình thành các mũi khâu với nhau, phá vỡ cấu trúc tổng thể của phân tử. Tại thời điểm DNA tăng gấp đôi, các tế bào gốc dễ bị tổn thương nhất: nó quay lên, vì vậy dễ bị tổn thương hơn và lỗi có nhiều khả năng rơi vào các tế bào con. Nhưng ngay cả khi các hệ thống sửa chữa DNA nhận thấy lỗi kịp thời, thì với một số lượng lớn các lỗi, việc phân chia tế bào sẽ bị dừng lại. Đồng thời, quá trình chết tế bào được lập trình sẽ bắt đầu – apoptosis, và tế bào sẽ chết. Do đó, sự sao chép DNA trong việc chia các tế bào gốc nên càng nhiều càng tốt, xảy ra vào ban đêm. Đồng thời, các tế bào cần năng lượng để phân chia, đó là, một mức độ cao của glucose trong máu. Vì vậy, sự phân chia nên rơi vào thời kỳ hoạt động của sinh vật (xem M. P. Antoch, R. V. Kondratov, 2010. Protein sinh học và đáp ứng stress độc tính với gen). Điều này hóa ra là thuận tiện cho những con chuột có lối sống về đêm, nhưng khá khó chịu đối với một người hoạt động vào ban ngày. Đây có lẽ là một lý do khác cho sự phổ biến của ung thư da ở người – sự tích tụ không thể tránh khỏi của các lỗi trong phân chia tế bào dưới tác động của ánh sáng ban ngày.

Chức năng của MSC là khác nhau.Chức năng của họ là giữ cho bản thân ở trạng thái yên lặng và sẵn sàng bắt đầu phân chia nếu cần thiết. Để làm điều này, bạn cần phải thường xuyên quét DNA để tìm lỗi và cập nhật thành phần protein của tế bào. Trong phân chia các tế bào, các protein đã lỗi thời được phân bố đều giữa các hậu duệ và gây hại ít. Nhưng trong các MSC nghỉ ngơi, sự tích tụ của chúng có thể dẫn đến stress, trong đó nhiều chức năng của tế bào bị xáo trộn cùng một lúc. Do đó, trong các tế bào người lớn, một vai trò quan trọng được chơi bằng autophagy – một phần tự ăn – trong đó tế bào tiêu hóa các protein riêng của nó. Ở chuột, điều này thường xảy ra trong ngày, trong thời gian nghỉ ngơi (xem L. Garcia-Prat và cộng sự, 2016. Autophagy duy trì gốc bằng cách ngăn ngừa lão hóa).

Được biết, với tuổi tác, số lượng và hoạt động của tế bào gốc giảm đi, nghĩa là, tài nguyên của cơ thể cạn kiệt để phục hồi thiệt hại. Tuy nhiên, lý do cho điều này là không hoàn toàn được biết đến. Bằng cách tương tự với các rối loạn của chu kỳ giấc ngủ trong quá trình lão hóa, nó có thể được giả định rằng các chu kỳ hàng ngày của tế bào gốc phải bằng cách nào đó thay đổi, làm suy yếu công việc của họ. Tuy nhiên, cho đến gần đây, không ai xác minh điều này. Các tác giả của nghiên cứu đã nghiên cứu sự biểu hiện của nhiều gen trong EPSK và MSC của chuột già và chuột già trong ngày.Sau đó, bằng cách sử dụng các tiêu chí thống kê, những gen này đã được chọn, biểu hiện trong đó cho thấy các đỉnh ổn định tại một thời điểm nhất định trong ngày. Những gen như vậy sẽ được gọi là "cyclic", không giống như các gen khác, được thể hiện đồng đều hoặc với các vụ nổ một lần. Sự hiện diện của các gen cyclic cho phép chúng ta kết luận rằng các quá trình tế bào mà chúng chịu trách nhiệm phải chịu nhịp sinh học hàng ngày. Tức là, so sánh tập hợp các gen được biểu hiện theo chu kỳ trong các tế bào gốc của chuột trưởng thành và già, các tác giả rút ra kết luận về mức độ mà các chức năng này hoặc được biểu hiện trong các tế bào này.

Điều đầu tiên mà các nhà nghiên cứu nhận thấy là các chu kỳ hàng ngày được bảo tồn ngay cả trong các tế bào gốc cũ, có nghĩa là chúng biểu hiện sự biểu hiện gen tuần hoàn. Đồng thời, biên độ dao động của gen vẫn không thay đổi. Đối với tập hợp các gen tuần hoàn, một tỷ lệ phần trăm nhất định (tương đương nhau ở cả hai loại tế bào) vẫn còn, nhưng một phần quan trọng (hơn 70%) đã thay đổi: các gen khác đã trở thành cyclic. Điều này có nghĩa rằng với quá trình lão hóa, các chu kỳ mới được kích hoạt trong các tế bào gốc đòi hỏi công việc của các gen khác.

Hình 2 Số lượng các gen cyclic trong EPSK và MSC.Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Cell

Một phân tích cẩn thận hơn về thành phần của các gen cyclic cho thấy rằng với sự lão hóa, các chức năng chính của tế bào gốc được bảo tồn. Trong trường hợp của EPSC, mà điều chính là phân chia nhanh chóng thường xuyên, các gen tuần hoàn điều chỉnh các nhịp sinh học, cũng như tổng hợp DNA và phân bào (phân chia tế bào) vẫn còn. Trong trường hợp này, các gen chịu trách nhiệm về sự khác biệt của tế bào biến mất khỏi danh sách các vòng tuần hoàn, nhưng các gen liên quan đến đáp ứng ứng suất, giải phóng các chất gây viêm và sửa chữa DNA được thêm vào. Nguyên nhân gây căng thẳng có lẽ là sau: với tuổi tác, tế bào gốc mất nhiều thời gian hơn gấp đôi DNA (có thể do số lượng lỗi tích lũy), vì vậy nó bắt đầu vào ban đêm và tiếp tục suốt cả ngày, và phân chia xảy ra cùng lúc với tế bào người lớn vào cuối đêm. Do thực tế là sự tổng hợp DNA xảy ra vào một ngày ánh sáng, thiệt hại ánh sáng xảy ra, và điều này gây ra căng thẳng trong tế bào. Do đó, điều quan trọng là bắt đầu biểu hiện của các gen phản ứng hồi đáp và stress và đồng bộ hóa nó với các chu kỳ của các gen kích thích sự nhân lên của DNA.

Hình 3 Chu kỳ biểu hiện của các gen kiểm soát nhịp điệu hàng ngày trong EPSK. Đường màu đen – biểu hiện trong các tế bào của chuột trưởng thành, màu xám – lão hóa. Bởi trục ngang thời gian trễ: ZT0 – bắt đầu ánh sáng ban ngày, ZT12 – kết thúc giờ ban ngày. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Cell

Tình hình với MSK là hơi khác nhau. Vì chúng không đòi hỏi sự phân chia đều đặn nên không thể tìm thấy biểu hiện tuần hoàn của các gen mitosis. Nhưng cả hai tế bào trưởng thành và những tế bào già đều có các gen tuần hoàn liên kết với bộ xương và các tiếp xúc với chất ngoại bào. Điều này là cần thiết để các tế bào được giữ trong thích hợp của họ và phản ứng với những thay đổi trong môi trường. Đồng thời, các MSC trưởng thành sẵn sàng phân chia bất cứ lúc nào, do đó, chúng được mong đợi tìm các gen sửa đổi DNA tuần hoàn (để kiểm tra lỗi và sửa chữa) và tự thực hiện (để loại bỏ các protein bị hư hại). Tất cả các quá trình này – sẵn sàng phân chia, sửa chữa, tự kỷ – trong các tế bào cũ không còn phải chịu nhịp sinh học, vì các gen tương ứng mất biểu hiện chu kỳ của chúng. Mặt khác, các gen tuần hoàn xuất hiện có vai trò chịu trách nhiệm cho việc giải phóng các protein viêm – có thể đáp ứng với stress (cả bên trong tế bào và bên ngoài, kết hợp với các quá trình lão hóa chung trong cơ thể).

Vì vậy, các tác giả của công trình thảo luận đã chỉ ra rằng với tuổi tác, tế bào gốc mất một số quá trình tuần hoàn của chúng, chuyển sang phản ứng chống stress. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ yếu tố nào gây ra sự chuyển đổi này. Các tác giả đã cố gắng ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào gốc thông qua hạn chế thức ăn. Từ lâu người ta đã biết rằng chế độ ăn ít calo (chứa ít hơn 30% lượng calo cần thiết để bão hòa hoàn toàn một con vật) cải thiện tình trạng của chuột, tăng khả năng nhận thức và kéo dài tuổi thọ của chúng. Ngoài ra, nó đã được tìm thấy rằng nó kích thích hoạt động của các tế bào gốc cơ bắp (xem M. Cerletti et al., 2012. Hạn chế calo ngắn hạn làm chức năng cơ xương).

Do đó, một nhóm chuột được duy trì chế độ ăn ít calo trong sáu tháng, và sau đó tính chất chu kỳ của biểu hiện gen trong tế bào gốc được so sánh với nhóm chứng (được cho ăn hoàn toàn) và với động vật trưởng thành. Nó chỉ ra rằng hạn chế trong dinh dưỡng giúp ngăn ngừa những thay đổi trong chu kỳ hàng ngày liên quan đến lão hóa của tế bào gốc. Sáu tháng sau, chu kỳ dinh dưỡng của các gen khác biệt vẫn ở chế độ ăn uống EPSK, và sự tổng hợp DNA không di chuyển vào ban ngày, mặc dù trong thời gian này các tế bào phải rất già (theo tiêu chuẩn của chuột, nửa năm là khá lâu).Tuy nhiên, một số ít các gen sửa chữa tuần hoàn đã được tìm thấy, đó là điển hình của các tế bào cũ. Trong MSC sáu tháng sau, tự kỷ vẫn theo chu kỳ, như trong tế bào người lớn. Sau đó, các tác giả tiến hành nghiên cứu ngược lại: một nhóm chuột trưởng thành tiếp tục ăn kiêng với hàm lượng chất béo cao. Như đã dự đoán, tập hợp các gen tuần hoàn trở nên giống với các tế bào cũ hơn. Tuy nhiên, các tế bào của tuổi già không đạt đến mức độ đầy đủ, bảo toàn tính toàn vẹn của DNA (EPSK) và khả năng tự tuần hoàn (MSC). Tuy nhiên, các gen tuần hoàn xuất hiện là đặc trưng của viêm và phản ứng căng thẳng. Ngoài ra, số lượng MSCs đã giảm, có nghĩa là, bộ phận của họ đã bị ức chế thêm.

Cuối cùng, các tác giả của nghiên cứu đặt ra để kiểm tra xem lão hóa có thể được gây ra bằng cách phá hủy các chu kỳ biểu hiện hàng ngày hay không. Nó bật ra rằng không: trong các tế bào đột biến cho các gen kiểm soát nhịp sinh học, không có dấu hiệu lão hóa.

Công việc được thảo luận đưa chúng ta đến gần hơn với sự hiểu biết về những thay đổi xảy ra trong cơ thể trong quá trình lão hóa. Rõ ràng, ở cấp độ tế bào, tính chất chu kỳ của biểu hiện gen không biến mất, nhưng các tập hợp các gen tuần hoàn thay đổi.Các tế bào gốc lão hóa giữ lại các tính chất cơ bản: khả năng phân chia (trong các tế bào da) và tiếp xúc với môi trường (trong các tế bào cơ). Tuy nhiên, thay vì chuẩn bị cho sự khác biệt (biểu hiện gen khác biệt theo chu kỳ) và duy trì sự kiên trì của môi trường bên trong (tức là, thường xuyên thực hiện autophagy), các tế bào chuyển sang bảo vệ khỏi stress và sửa lỗi tích lũy. Trong trường hợp này, các loại phản ứng bảo vệ phụ thuộc vào thuộc về một hoặc mô khác.

Lý do cho những thay đổi như vậy trong công việc của các tế bào gốc vẫn chưa được biết. Tuy nhiên, có thể điều này là do mức độ căng thẳng chung trong cơ thể, tăng lên khi lão hóa. Có lẽ đó là lý do tại sao trong thử nghiệm với một chế độ ăn uống béo, làm tăng tải trọng trên cơ thể, có dấu hiệu lão hóa của tế bào gốc. Một nghiên cứu chi tiết về các quá trình tuần hoàn ở cấp độ nội bào có thể nhắc chúng ta những cách mới để làm chậm quá trình lão hóa. Tuy nhiên, chúng ta không nên quên rằng ở người, nhịp điệu hàng ngày không được sắp xếp theo cách giống như chuột, điều đó có nghĩa là sự lão hóa của các tế bào gốc của con người đòi hỏi một nghiên cứu cẩn thận riêng biệt.

Nguồn gốc của: Guiomar Solanas, Francisca Oliveira Peixoto, Eusebio Perdiguero, Merce Jardı, Vanessa Ruiz-Bonilla, Debayan Datta, Aikaterini Symeonidi, Andres Castellanos, Patrick-Simon Welz, Juan Martín Caballero, Paolo Sassone-Corsi, Pura Munoz-Canoves và Salvador Aznar Benitah . Stem Cells tuổi lập trình chức năng Daily nhịp điệu của họ để thích ứng với căng thẳng // Cell. 2017. DOI: 10,1016 / j.cell.2017.07.035.

Polina Loseva


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: