Starzenie neuronów - Postępy Biochemii

Starzenie neuronów
STRESZCZENIE
S
tarzenie prowadzi do nieodwracalnych zmian w układzie nerwowym, które w różnym
stopniu mogą upośledzać jego funkcje, takie jak zdolność do uczenia się i pamięć. W
starych neuronach i mózgu, podobnie jak to może mieć miejsce w innych komórkach organizmu, podwyższony jest poziom stresu oksydacyjnego, zaburzona równowaga energetyczna i metabolizm, akumulują się uszkodzenia w białkach i kwasach nukleinowych. Charakterystyczne dla samych starych neuronów są m. in. zmiany w plastyczności, szkielecie
komórki, przekaźnictwie synaptycznym oraz we wrażliwości na czynniki neurotroficzne.
Niektóre z klasycznych markerów starzenia komórkowego, do których należy aktywacja SAβ-galaktozydazy, zostały zastosowane do określenia procesu starzenia neuronów zarówno in
vitro, jak i in vivo. Badania sugerują, że mimo, iż neurony są komórkami postmitotycznymi,
to pewną rolę w ich biologii, na przykład w różnicowaniu, odgrywają białka cyklu komórkowego. Natomiast nie jest znana, czy wyjaśniona ich rola w starzeniu. Starzenie stanowi
poważny czynnik rozwoju chorób neurodegeneracyjnych m.in. choroby Alzheimera.
WPROWADZENIE
Starzenie prowadzi do zmian w obrębie układu nerwowego. Zmiany te obejmują wszystkie procesy, w które zaangażowany jest mózg, m.in. uczenie się,
pamięć, funkcje zmysłowe i ruchowe, motywację oraz odczuwanie emocji. Poniższy artykuł przedstawia badania nad molekularnymi i strukturalnymi zmianami towarzyszącymi i (lub) przyczyniającymi się do starzenia się neuronów
sensu stricto oraz całego mózgu. Ze względu na to, że w niektórych przytoczonych pracach materiałem do badań był cały mózg, część uzyskanych wyników
jest wypadkową zmian zachodzących zarówno w neuronach, jak i gleju.
Artykuł jest przeglądem literatury prezentującej wyniki badań mózgów ludzi, którzy osiągnęli podeszły wiek i badań mózgów gryzoni i małp. Przytoczono także prace, które rozpatrują i charakteryzują starzenie się neuronów w
świetle istniejącej wiedzy na temat starzenia się innych komórek, w szczególności komórek zdolnych do proliferacji. Umożliwia to wskazanie oprócz tego,
co specyficzne i wyłączne dla neuronów, markerów starzenia, które komórki
nerwowe mogą dzielić z innymi komórkami. Oprócz badań in vivo przedstawiono również wyniki badań starzenia się neuronów w pierwotnych hodowlach
neuronalnych.
PODSTAWOWE INFORMACJE O BIOLOGII NEURONU
W strukturze neuronów występuje ciało neuronalne i dwa rodzaje wypustek:
dendryty i aksony (Ryc. 1). Cała struktura neuronu zaangażowana jest w generowanie i przewodzenie sygnału elektrycznego zwanego potencjałem czynnościowym, który służy do przesyłania i kodowania informacji w sieci neuronalnej. Przesyłanie informacji przebiega jednokierunkowo: od dendrytów, poprzez
ciało neuronalne do aksonu, który przekazuje sygnały do następnej komórki.
Aksony pokryte są mieliną, otoczką lipidową, która umożliwia szybkie przewodnictwo impulsów nerwowych. Dendryty tworzą wiele rozgałęzień, dzięki
czemu zapewniona jest bogata komunikacja z sąsiednimi neuronami — pojedynczy neuron w mózgu może utrzymywać kontakt z mniej więcej 1000 innych
neuronów. Dwa neurony komunikują się ze sobą w miejscu zwanym synapsą.
Neuron przekazujący sygnał zwany jest neuronem presynaptycznym, a neuron
odbierający sygnał neuronem postsynaptycznym. W presynaptycznych zakończeniach (kolbki synaptyczne) znajdują się pęcherzyki synaptyczne wypełnione
cząsteczkami neuroprzekaźników. W neuronach pobudzonych neuroprzekaźniki są uwalniane do szczeliny synaptycznej i wiążą się do receptorów w błonie
neuronu postsynaptycznego, co inicjuje dalszą kaskadę sygnałową. Większość
zakończeń presynaptycznych tworzy synapsy z dendrytami neuronów postsy-
Postępy Biochemii 60 (2) 2014
Małgorzata Piechota
Piotr Sunderland
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 24 36, e-mail:
[email protected]

Artykuł otrzymano 24 marca 2014 r.
Artykuł zaakceptowano 9 kwietnia 2014 r.
Słowa kluczowe: starzenie, neuron, stres, synapsa, plastyczność, mózg
Wykaz skrótów: 4HNE — 4-hydroxynonenal;
AMPA — ang. α-amino-3-hydroxy-5-methyl4-isoxazolepropionic acid; APP — ang. amyloid
prekursor protein; BDNF — ang. brain-derived
neurotrophic factor; CaMKIIα — ang. calcium/
calmodulin dependent protein kinase II; GABA –
ang. gamma-aminobutyric acid; GFAP — ang. glial fibryllary acidic protein; Glut3 — ang. glucose
transporter 3; GnRH — ang. gonadotropin-releasing hormone; HDACs — ang. histone deacetylases; IEGs — ang. immediate early genes; IGF-1
— ang. insulin-like growth factor 1; IL-6 — ang.
interleukin 6; MAP2 — ang. microtubule-associated protein 2; mTOR — ang. mammalian target
of rapamycin; NMDA — ang. N-Methyl-D-aspartate; NF-κB — ang. nuclear factor kappa-lightchain-enhancer of activated B cells; p38MAPK —
ang. p38 mitogen-activated protein kinase; PSD —
ang. postsynaptic density; REST — ang. repressor
element 1 — silencing transcription factor; SA-βgal — ang. senescence-associated β-galactosidase;
SIPS — ang. stress-induced premature senescence;
SNAP-25 — ang. Synaptosomal-associated protein 25; Sod2 — ang. superoxide dismutase 2;
SynGAP — ang. Synaptic Ras GTPase-activating
protein 1; Trf2 — ang. telomeric repeat binding
factor 2; TRPM — ang. transient receptor potential
cation channel, subfamily M, member 2
177
razujących anatomię mózgu w latach 80. i 90. zweryfikowało ten pogląd. Badania wskazują, że fizjologiczne starzenie,
w przeciwieństwie do chorób neurodegeneracyjnych, nie
prowadzi do wyraźnych zmian liczby neuronów w mózgu
[1,2]. Natomiast obserwowane jest zmniejszenie się ciała
neuronów, zmiany strukturalne drzewka dendrytycznego,
spadek liczby kolców dendrytycznych i synaps, zmiany w
neuroprzekaźnictwie i w czynności bioelektrycznej neuronów. Obserwuje się również spadek zdolności do neurogenezy [3]. Różne obszary mózgu poddają się tym zmianom w
różnym stopniu np. hipokamp, struktura zaangażowana w
uczenie się i pamięć, podlega szczególnie dużym zmianom
w procesie starzenia.
ZMIANY STRUKTURALNE
Rycina 1. Struktura neuronu. Neurony składają się z ciała neuronu z jądrem, aksonu i dendrytów. Na dendrytach tworzą się charakterystyczne struktury zwane
kolcami dendrytycznymi, które mogą być miejscem tworzenia synaps z zakończeniami aksonów neuronów presynaptycznych. Synapsa służy do komunikacji
międzyneuronalnej, która odbywa się za pośrednictwem wydzielanego do szczeliny synaptycznej neuroprzekaźnika.
naptycznych. Synapsy te mogą powstawać na charakterystycznych wypustkach zwanych kolcami dendrytycznymi.
Przekazywanie synaptyczne może być pobudzające lub
hamujące, co oznacza odpowiednio zwiększenie lub obniżenie możliwości powstania potencjału czynnościowego
w postsynaptycznym neuronie. Głównym neuroprzekaźnikiem pobudzającym w mózgu jest kwas glutaminowy,
który może wiązać się do receptorów jonotropowych, m.in.
receptora NMDA (ang. N-methyl-D-aspartate) i AMPA (ang.
α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) oraz
receptorów metabotropowych mGlu. Receptory jonotropowe sprzężone są z kanałami przepuszczalnymi dla jonów, a receptory metabotropowe związane są z białkiem
G. Głównym neuroprzekaźnikiem hamującym jest kwas
γ-aminomasłowy GABA (ang. gamma-aminobutyric acid).
Właściwością neuronów i tworzonej przez nich sieci neuronalnej jest ich plastyczność — zdolność do reorganizacji
i zmiany będąca podstawą takich procesów jak uczenie się,
pamięć i regeneracja po uszkodzeniach. Szeroko badane jest
zjawisko plastyczności synaptycznej, które związane jest
ze wzmocnieniem lub osłabieniem odpowiedzi synapsy
na bodźce oraz ze zmianami strukturalnymi: modyfikacją
kształtu, zanikiem lub powstawaniem kolców dendrytycznych i synaps.
STARZENIE SIĘ NEURONÓW I MÓZGU
W procesie starzenia dochodzi m.in. do zmniejszenia objętości mózgu, grubości warstw korowych, np. atrofii kory
przedczołowej oraz degeneracji zmielinowanych włokien.
Przez długi czas uważano, że starzenie wiąże się ze
śmiercią neuronów. Dopiero opracowanie metod lepiej ob-
178
Badania wskazują na trwałe zmiany w morfologii neuronów zachodzące w procesie starzenia. Zaobserwowano
ograniczenie stopnia rozgałęzienia dendrytów w korze
przedczołowej i w hipokampie ludzi starszych i u szczura,
przy czym w korze przedczołowej zmiany te były bardziej
znaczące [4]. Co ciekawe, w niektórych regionach hipokampa ludzi zaobserwowano odwrotny proces, a mianowicie,
że stopień rozgałęzienia dendrytów zwiększał się wraz z
wiekiem. Spadek liczby kolców dendrytycznych stwierdzono w korze przedczołowej starych małp [5,6]. Najbardziej
podatne na degenerację były cienkie kolce dendrytyczne
charakteryzujące się dużą plastycznością. Natomiast w hipokampie zmiany degeneracyjne dotykają przede wszystkim klasy dużych i stabilnych kolców grzybkowatych [7].
Prace Bloss’a dostarczyły dowodów na utratę plastyczności
neuronów w hipokampie starych szczurów [8,9]. Zwierzęta
były wystawione na działanie stresu. U młodych zwierząt
stres zredukował długość apikalnych dendrytów i liczbę
rozgałęzień i zmiany te były odwracalne po ustaniu stresu,
podczas gdy u zwierząt starych, wyindukowane stresem
zmiany były nieodwracalne. Co więcej, u zwierząt młodych
stres wpłynął na liczbę i w nieznacznym stopniu również na
morfologię kolców dendrytycznych, podczas gdy u zwierząt starych nie było wpływu stresu na i tak już zmniejszoną
liczbę kolców dendrytycznych.
Ukazało się wiele prac, które różnymi metodami pokazują zmiany w synapsach w procesie starzenia. Zmiany te nie
są jednakowe i uniwersalne, lecz specyficzne dla różnych
obszarów mózgu. Zarówno presynaptyczne, jak i postsynaptyczne zakończenia zmieniają się w efekcie starzenia.
Metodami biochemicznymi ustalono m.in. spadek poziomu
białek pęcherzyków synaptycznych: synaptofizyny i SNAP25 (ang. Synaptosomal-associated protein 25) w hipokampie 14–24-miesięcznych szczurów w porównaniu z grupą
szczurów w wieku 2 miesięcy [10]. Może to świadczyć o
związanym z wiekiem zmniejszeniu liczby zakończeń presynaptycznych, bądź o obniżonej syntezie wymienionych
białek w tych zakończeniach. Obrazowanie synaps za pomocą mikroskopii świetlnej i elektronowej potwierdziło
zmiany zaobserwowane metodami biochemicznymi. Barwienie na synaptofizynę wykazało obniżony poziom tego
białka w regionie CA3 hipokampa starych szczurów i co
ciekawe, zmiany w poziomie synaptofizyny skorelowane
były ze stopniem upośledzenia zdolności uczenia się tych
zwierząt [11]. W innym badaniu wykazano spadek liczby
www.postepybiochemii.pl
synaps w zakręcie zębatym hipokampa starych szczurów
[12]. Z kolei badanie ultrastruktury zakończeń presynaptycznych w hipokampie starych małp wykazało spadek ilości kolbek synaptycznych i podwojenie liczby kolbek, które
nie tworzyły połączenia synaptycznego z żadnym z kolców
dendrytycznych [13]. Nie wszystkie populacje neuronów są
narażone na utratę synaps w równym stopniu np. nie zaobserwowano związanej z wiekiem utraty synaps w regionie
CA1 hipokampa u gryzoni, a u ludzi powyżej 65 roku życia
nie było spadku liczby synaps w jednym z regionów kory
czołowej [14,15]. W badaniach tych jednak nie analizowano,
czy funkcjonowanie tych synaps było prawidłowe.
W GŁĄB SYNAPS
Badania ultrastruktury zakończeń presynaptycznych
odpowiedzialnych za uwolnienie neuroprzekaźników z
pęcherzyków synaptycznych i zawierających oprócz tego
takie organella jak mitochondria, autofagosomy, endosomy
i siateczkę endoplazmatyczną przyniosły na razie zaskakująco mało wyników świadczących o zmianach z upływem
czasu. Applegate i Landfield [16] zaobserwowali spadek
gęstości pęcherzyków zlokalizowanych 150 nm od strefy
aktywnej w synapsach hipokampa szczura. Soghomonian i
wsp. [17] pokazali wzrost liczby pęcherzyków w synapsach
hamujących w korze przedczołowej starych małp i powiększenie mitochondriów w akso-dendrytycznych synapsach
hamujących.
W starych organizmach występują zmiany w składzie
białek tworzących synapsy, np. obniża się poziom białka
Bassoon w synapsach glutaminergicznych w hipokampie
starych szczurów [18]. Białko to odgrywa rolę w kontroli
uwalniania neurotransmiterów z zakończeń presynaptycznych, a delecja jego genu powoduje inaktywację synaps
pobudzających. Analiza immunohistochemiczna wykazała
również obniżenie poziomu białka SynGAP (ang. Synaptic
Ras GTPase-activating protein 1) i podwyższenie poziomu
podjednostki GluR1 w receptorze AMPA (ang. α-amino-3hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) oraz białka PSD-95
(ang. Postsynaptic density-95), które w aktywnych synapsach
odpowiada za rekrutację i formowanie dużych kompleksów receptorów, kanałów jonowych i innych białek uczestniczących w sygnalizacji. Wszystkie te białka są elementami
struktury PSD (ang. postsynaptic density), zwanej gęstością
postsynaptyczną, koniecznej do prawidłowego funkcjonowania synaps pobudzających. Zaobserwowano również, że
synteza podjednostki NR2B w receptorze NMDA obniża się
w hipokampie starych szczurów i zmiana ta koreluje z deficytem pamięci u tych zwierząt [19]. Różnice w poziomie
wielu białek w hipokampalnych synaptosomach u starych
szczurów zostały odkryte metodą proteomiki [20]. Zmiany
obejmujące ponad 250 białek pozwoliły na wyodrębnienie
procesów, których regulacja zmienia się w starzeniu. Dotyczy to metabolizmu glukozy i białek, cytoszkieletu (F-aktyna, γ-aktyna, β-aktyna, izoformy tubuliny, interneksyna),
endocytozy i egzocytozy pęcherzyków synaptycznych, kontroli neuroprzekaźnictwa oraz formowania kompleksów
receptorów postsynaptycznych. Ta sama grupa w kolejnej
pracy wskazała na zmiany w poziomie białek w synaptosomach hipokampalnych charakterystyczne dla starych
zwierząt z zaburzoną funkcją poznawczą w porównaniu ze
Postępy Biochemii 60 (2) 2014
zdrowymi starymi zwierzętami i grupą młodych zwierząt
[21]. Zaobserwowano podwyższenie poziomu białek odgrywających rolę w utrzymaniu i modelowaniu struktury
neuronów (MAP2 ang. microtubule-associated protein 2, drebrin, Nogo-A) i obniżenie poziomu białek zaangażowanych
w aktywność i plastyczność synaptyczną (PSD-95, 14-3-3θ,
CaMKIIα (ang. calcium/calmodulin dependent protein kinase II).
NEUROPRZEKAŹNIKI I CZYNNIKI TROFICZNE
Zmiany w starzeniu mogą dotyczyć zaburzenia w wytwarzaniu, uwalnianiu i usuwaniu kwasu glutaminowego w odpowiedzi na bodziec w różnych regionach mózgu
[22,23]. Modyfikacje w przekaźnictwie glutaminergicznym
wpływają także na inne przekaźniki i modulatory. Na
przykład zwiększenie poziomu kwasu glutaminowego w
przestrzeni zewnątrzkomórkowej w wyniku podania zwierzętom inhibitora, który hamuje usuwanie tego neuroprzekaźnika ze szczeliny synaptycznej, powoduje wzrost ilości
uwolnionej dopaminy i GABA w obrębie ciała prążkowanego u zwierząt młodych. Natomiast u zwierząt starych kwas
glutaminowy powoduje zmniejszone uwalnianie dopaminy
i zwiększenie GABA w przestrzeni zewnątrzkomórkowej
[24]. Poza tym zaobserwowano, że u szczurów w wieku 1221 miesięcy obniża się poziom czynnika troficznego BDNF
(ang. brain-derived neurotrophic factor), który odgrywa istotną
rolę w plastyczności synaptycznej [25]. W innej natomiast
pracy pokazano, że poziom syntezy białek zachodzącej pod
wpływem stymulacji kory mózgowej za pomocą insulinopodobnego czynnika wzrostu IGF-1 (ang. insulin-like growth
factor 1) jest niższy u starych szczurów w porównaniu z
młodymi [26].
PROTEOM I STRES OKSYDACYJNY
Cechą starzenia się neuronów, która w nasilonym stopniu występuje w chorobach neurodegeneracyjnych, jest
akumulacja uszkodzonych białek zarówno wewnątrz komórek, jak i zewnątrzkomórkowo [27]. Istnieją dowody
wskazujące na to, że z wiekiem obniża się zdolność komórki do enzymatycznej degradacji uszkodzonych białek, która kontrolowana jest przez cytozolowe proteazy, autofagię
i lizosomy oraz proteasom. Aktywność proteasomu spada
wraz z wiekiem w korze i hipokampie szczura [28]. Pogarsza się funkcjonowanie autofagii i wydaje się, że stymulacja
autofagii poprzez zastosowanie restrykcji kalorycznej może
opóźnić procesy starzenia [29]. Badania pokazały, że farmakologiczne zahamowanie aktywności proteasomu i lizosomów ma niekorzystny wpływ na funkcję i strukturę neuronów. Z wiekiem zwiększa się ilość białek, które w wyniku
działania stresu oksydacyjnego ulegają toksycznym modyfikacjom, czego efektem może być np. zaburzenie procesu
wytwarzania energii [30]. Badania proteomów zwierząt
pozwoliły na wyodrębnienie głównych procesów komórkowych, które podlegają zmianie w mózgach starzejących
się organizmów. Zmiany dotyczą metabolizmu białek i
kwasów nukleinowych, przekazywania sygnału, odpowiedzi komórki na stres oksydacyjny, cytoarchitektury, transportu oraz przekaźnictwa synaptycznego [31,32]. Badania
koncentrują się także na roli sirtuin, białek z rodziny deacetylaz, w starzeniu. Sirt1 odgrywa rolę w takich procesach
jak: odpowiedź na stres, metabolizm energetyczny, dojrze-
179
wanie neuronów i wykazuje właściwości neuroprotekcyjne.
Co ciekawe, wyniki wskazują, że poziom Sirt1 obniża się w
hipokampie starych szczurów [33].
EKSPRESJA GENÓW
Jedna z pierwszych prac badająca transkryptom w mózgu pokazała zmiany w obszarze CA1 hipokampa, które
korelowały ze spadkiem zdolności poznawczych starych
szczurów [34]. Zaobserwowano podniesioną ekspresję genów związanych ze stanem zapalnym i sygnalizacją wapniową oraz obniżoną ekspresję genów regulujących metabolizm energetyczny, procesy biosyntezy i synaptogenezę.
Badania mózgów uzyskanych od ludzi w wieku 26–106 lat
sugerują, że powyżej 40 roku życia spada ekspresja genów
odgrywających rolę w plastyczności synaptycznej, transporcie pęcherzykowym i funkcji mitochondriów w korze
czołowej [35]. Następnie indukują się geny regulujące odpowiedź komórki na stres, w tym stres oksydacyjny, oraz
naprawę DNA.
Przedmiotem badań nad starzeniem są również zmiany
w ekspresji genów wczesnej odpowiedzi (IEGs, ang. immediate early genes). Geny wczesnej odpowiedzi charakteryzują
się tym, że ich ekspresja nie wymaga aktywacji innych genów i syntezy białek de novo, w związku z tym stanowią one
najwcześniejszą odpowiedź genomu na bodziec. Niektóre z
tych genów odgrywają rolę w plastycznosci synaptycznej i
zmiany w ich ekspresji, m.in. genu c-fos i Arc, zaobserwowano w procesie starzenia [36,37]. Zmiany w ekspresji mogą
ograniczać się do konkretnej populacji neuronów, np. w hipokampie starych szczurów spada liczba wyłącznie neuronów ziarnistych zakrętu zębatego z indukowaną ekspresją
genu Arc.
EPIGENOM
Zmiany epigenetyczne mogą być jedną z możliwych
przyczyn zmian w transkrypcji genów w procesie starzenia.
Epigenom tworzą kowalencyjne modyfikacje DNA i białek
jądrowych, w tym histonów, które determinują i zmieniają
strukturę chromatyny. Zainteresowanie zmianami epigenetycznymi w neuronach wzbudziły odkrycia modyfikacji
chromatyny, które współodpowiedzialne są za mechanizmy plastyczności synaptycznej i funkcjonowania pamięci u
dorosłych zwierząt [38]. Zaobserwowano m.in., że podanie
inhibitorów specyficznych deacetylaz histonów (HDACs,
ang. histone deacetylases) może poprawić plastyczność synaptyczną i pamięć [39]. Generalnie nieznane są zmiany w
acetylacji histonów czy metylacji DNA w regionie genów,
które odgrywają rolę w procesie starzenia, lub których ekspresja zmienia się w starzeniu. Jedna z prac pokazała, że w
komórkach hipokampa starych szczurów zachodzą zmiany
w metylacji promotora genu oraz w obrębie samego genu
Arc, co może być przyczyną spadku jego transkrypcji [40].
PRZEKAZYWANIE SYGNAŁU WAPNIOWEGO
Jony wapnia odgrywają kluczową rolę w fizjologii neuronów. Aktywne neurony ze wzbudzonym potencjałem czynnościowym inicjują otwarcie kanałów dla wapnia, co jest
koniecznym etapem w procesie uwalniania neuroprzekaź-
180
ników do szczeliny synaptycznej. Sygnalizacja wapniowa
odbywa się również przez uwolnienie wapnia z organelli:
siateczki endoplazmatycznej i mitochondriów. Badania wydają się wskazywać na stres oksydacyjny i zaburzony metabolizm energetyczny jako przyczyny osłabienia regulacji
gospodarki wapniowej w starych neuronach. Na przykład
produkt peroksydacji lipidów, 4-hydroksynonenal (4HNE),
upośledza funkcje niektórych białek zaangażowanych w
sygnalizację wapniową w neuronach. Do tych białek należą błonowe ATPazy (ATPazy Na+/K+ i Ca2+) i neuronalny
transporter glukozy Glut3 (ang. glucose transporter 3) [41].
Inne zmiany obejmują zwiększone przewodnictwo kationów wapnia, zwiększoną gęstość kanałów dla wapnia typu
L odgrywających rolę m.in. w plastyczności synaptycznej
oraz opóźnioną reakcję przywrócenia prawidłowego stężenia wapnia w komórce [42,43]. Zaburzenie homeostazy
wapniowej może wpłynąć ujemnie na pobudliwość neuronów i integralność sieci neuronalnej [44].
STARZENIE MÓZGU A CHOROBY
NEURODEGENERACYJNE
Powyżej 60-go roku życia wzrasta prawdopodobieństwo rozwoju demencji i innych chorób neurodegeneracyjnych m.in. choroby Alzheimera, Parkinsona oraz choroby
naczyń mózgowych [27]. Coraz więcej wiadomo na temat
genetycznego podłoża i patofizjologii tych chorób. Szeroko badana, choć nie do końca jednak zrozumiała pozostaje
kwestia zwiększonej podatności wybranej populacji neuronów na degenerację np. hipokampa w chorobie Alzheimera
czy istoty czarnej w chorobie Parkinsona. Badania wydają
się wskazywać na starzenie jako czynnik ryzyka w rozwoju tych chorób. Oprócz znaczenia genów, czynniki środowiskowe, które z jednej strony mogą sprzyjać starzeniu się
neuronów, a z drugiej, przed nim chronić, mogą determinować prawdopodobieństwo zapadnięcia na chorobę neurodegeneracyjną. Zmiany w procesie starzenia, takie jak
podwyższony stres oksydacyjny, zaburzona równowaga
energetyczna, akumulacja uszkodzonych i nieprawidłowo
sfałdowanych białek, uszkodzenia materiału genetycznego oraz mitochondriów występują w nasilonym stopniu
w przebiegu chorób neurodegeneracyjnych. W chorobie
Alzheimera obserwuje się większą, niż w przypadku fizjologicznego starzenia, atrofię mózgu, śmierć neuronów i
utratę synaps. Charaketrystyczna dla choroby Alzheimera
jest obecność w mózgu amyloidowych blaszek starczych
złożonych z agregatów β-amyloidu otoczonych siecią degenerujących neuronów oraz obecność wewnątrzkomórkowych splotów neurofibrylarnych zbudowanych z hiperfosforylowanego białka tau. Wydaje się, że β-amyloid może
się również akumulować u ludzi starszych zachowujących
zdolności umysłowe, natomiast badania sugerują zależność
między poziomem upośledzenia umysłowego w chorobie
Alzheimera a ilością splotów neurofibrylarnych i stopniem
utraty synaps [45]. Jedna z najnowszych prac dotycząca tej
choroby opisuje istotną różnicę na poziomie molekularnym
między fizjologicznym starzeniem a patologią [46]. Autorzy
pokazali, że w neuronach ludzi starszych występuje indukcja czynnika transkrypcyjnego REST (ang. repressor element
1 - silencing transcription factor), natomiast nie obserwuje się
jej u ludzi chorych na chorobę Alzheimera. Ma to daleko
idące konsekwencje, ponieważ REST hamuje transkrypcję
www.postepybiochemii.pl
genów promujących apoptozę i rozwój patologii choroby
Alzheimera m.in. wytwarzanie β-amyloidu i hiperfosforylację białka tau, a indukuje geny odpowiedzi na stres. Poza
tym aktywacja REST pełni funkcję ochronną przed stresem
oksydacyjnym i toksycznością β-amyloidu. Jednym z najważniejszych wyników w tej pracy było odkrycie pozytywnej korelacji między poziomem REST a zachowaniem
zdolności umysłowych starszych ludzi. Na podstawie tej
pracy można sądzić że REST jest elementem molekularnych
systemów chroniących stare neurony przed zwiększonym
poziomem stresu i przyczyniających się do opóźnienia powstawania zmian neurodegeneracyjnych w mózgu.
STARZENIE NEURONÓW A PROCES
STARZENIA KOMÓRKOWEGO
Starzenie komórkowe (ang. cellular senescence) polega na
nieodwracalnym zatrzymaniu podziałów w komórce proliferującej i w związku z tym może stanowić początkowy
mechanizm obronny komórek zagrożonych transformacją
nowotworową. Starzenie komórkowe może zajść w wyniku stresu związanego przede wszystkim z uszkodzeniami
DNA. Badania dostarczyły informacji na temat komórkowych markerów opisujących ten proces. Charakterystyczne
jest powiększenie rozmiarów komórki i wzrost jej ziarnistości. Zatrzymanie podziałów przebiega w wyniku aktywacji
jednej bądź dwóch ścieżek przekazywania sygnału. Uczestniczą w nich takie białka jak p53 i p21WAF1/CIP1 (p21) oraz
pRB. Kolejnym markerem jest zwiększenie aktywności enzymu β-galaktozydazy (SA-β-gal, ang. senescence-associated
β-galactosidase). Stare komórki rozwijają fenotyp sekrecyjny
wydzielając do środowiska cytokiny, czynniki wzrostowe
i proteazy, które odpowiadają za rozwój stanu zapalnego
i mogą przyczyniać się do rozwoju chorób związanych z
wiekiem np. nowotworu i neurodegeneracji. Poza tym zachodzą zmiany w strukturze chromatyny i tworzą się tzw.
skupiska heterochromatynowe. Starzeniu komórkowemu
może towarzyszyć stres oksydacyjny1.
Bez względu na to, że starzenie komórkowe z definicji
zakłada zatrzymanie podziałów, a więc nie powinno dotyczyć komórek postmitotycznych, pojawiły się w literaturze
naukowej prace, które to pojęcie rozszerzają na potrzebę
opisu zjawiska starzenia neuronów. Autorzy wskazują
na podobieństwa między starzeniem komórkowym a starzeniem neuronów czy też neurodegeneracją na poziomie
molekularnym. Grupa pod kierunkiem von Zglinickiego
pokazała, że neurony starych myszy rozwijają podobny do
starzenia obserwowanego w innych komórkach fenotyp
charakteryzujący się obecnością uszkodzeń DNA, zwiększoną produkcją wolnych rodników tlenowych i peroksydacją lipidów oraz zwiększoną syntezą ufosforylowanej
kinazy p38MAPK (ang. p38 mitogen-activated protein kinase),
która może odpowiadać za powstanie fenotypu sekrecyjnego komórek [47]. Poza tym neurony produkowały interleukinę 6- IL-6 (ang. interleukin 6), miały podwyższoną aktywność SA-β-gal i zmienioną syntezę markera heterochromatyny- histonu mH2A (ang. macroH2A). Podobne zmiany
następowały w wyniku uszkodzenia telomerów w mysim
mutancie F4TERC-/- pozbawionym genu kodującego podWięcej o znacznikach starzenia można znaleźć w tym numerze
Postępów Biochemii w artykule O. Alster i Z. Korwek
1
Postępy Biochemii 60 (2) 2014
jednostkę RNA telomerazy. Co ciekawe, delecja genu p21
w mutancie F4TERC-/- spowodowała cofnięcie się zmian
poziomu uszkodzeń DNA, peroksydacji lipidów, aktywności p38MAPK i produkcji IL-6 przez neurony. Autorzy spekulują, że zaobserwowane przez nich starzenie neuronów
może być związane z upośledzeniem funkcji poznawczych
w starych organizmach. Proponują również bardziej ogólną definicję starzenia komórkowego. Według nich starzenie komórkowe jest wynikiem działania wewnątrzkomórkowych ścieżek przekazywania sygnału, które są następstwem uaktywnienia się ścieżki uszkodzeń DNA. Jednym
z przejawów aktywności tych ścieżek byłoby zatrzymanie
proliferacji w komórkach mitotycznych.
Warto tu przytoczyć dwie hipotezy dotyczące rozwoju
neurodegeneracji, które w pewnym stopniu nawiązują do
zjawiska starzenia komórkowego. Badania mózgów pacjentów z chorobą Alzheimera ujawniły niewytłumaczalny do
tej pory wzrost syntezy białek cyklu komórkowego [48].
Według jednej z hipotez, w zdrowych neuronach białka
cyklu komórkowego przejmują nowe funkcje związane z
kształtowaniem synaps i plastycznością. W odpowiedzi na
stres przewyższający neuroprotekcyjne mechanizmy komórki dochodzi do utraty części synaps i procesu odróżnicowania neuronów, który powoduje wejście neuronów w
cykl komórkowy i prowadzi do ich śmierci. Druga hipoteza
wiąże neurodegenerację z chronicznym stanem zapalnym
[49]. Inaczej mówiąc nieprawidłowo sfałdowane, zagregowane białka indukują wrodzoną odpowiedź układu odpornościowego i stan zapalny. Stan zapalny z kolei wywołuje
starzenie neuronów i gleju, które objawia się m.in. fenotypem sekrecyjnym, wydzielaniem do środowiska cytokin i
innych czynników, które dodatkowo pogłębiają stan zapalny w mózgu. Z upływem czasu zmiany te powodują nieodwracalne zaburzenie funkcji neuronów i spadek ich wrażliwości na czynniki troficzne.
Do tej pory niewiele wiadomo o fenotypie sekrecyjnym
starzejących się neuronów. Badania wskazują na rolę starzenia astrocytów w rozwoju stanu zapalnego zarówno w fizjologicznym starzeniu mózgu, jak i w nasilonym stopniu w
stanach patologicznych. Czynniki wydzielane przez astrocyty to m.in. IL-6, IL-1β i czynnik martwicy nowotworów
TNF-α (ang. tumor necrosis factor) [50,51]. Starzenie komórkowe gleju upośledza pełnione przez niego funkcje metaboliczne, troficzne i strukturalne, względem neuronów [52].
W procesie starzenia dochodzi również do wzrostu liczby
komórek mikrogleju [53] Badania wskazują, że w podwzgórzu starych myszy mikroglej rozwija stan zapalny aktywując m.in. jądrowy czynnik transkrypcyjny NF-κB (ang.
nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) i
zwiększając produkcję TNF-α. W późniejszym czasie NF-κB
ulega aktywacji również w neuronach, co może świadczyć
o parakrynnym działaniu czynników zapalnych wydzielanych przez mikroglej. Najciekawszym aspektem tych badań
było pokazanie wpływu starzenia podwzgórza na starzenie
się całego organizmu. Wydaje się, że obecny w podwzgórzu
stan zapalny obniża wydzielanie hormonu uwalniającego
gonadotropinę GnRH (ang. gonadotropin-releasing hormone),
co wpływa na obniżenie neurogenezy, kondycję fizyczną i
długość życia zwierząt.
181
Jeden z molekularnych mechanizmów starzenia neuronów wydaje się angażować białko Bmi1 (ang. full name
Bmi1 polycomb ring finger oncogene) [54]. Myszy pozbawione genu Bmi1 rozwijają fenotyp przedwczesnego starzenia,
charakteryzują się wzrostem liczby apoptotycznych neuronów i obecnością podwyższonego stresu oksydacyjnego.
Wykazano, że poziom Bmi1 maleje w neuronach starych
myszy oraz w hipokampie i siatkówce starszych ludzi. Obniżony poziom Bmi1 powoduje wzrost transkrypcji genów
kodujących inhibitory cyklu komórkowego p16Ink4a (p16) i
p19ARF (p19) oraz genu IL-6. Interleukina 6 jest mediatorem
stanu zapalnego, natomiast znaczenie wzrostu transkrypcji p16 i p19 nie jest wyjaśnione. Skorelowany ze spadkiem
Bmi1 jest również wzrost poziomu białka p53, które m.in.
bierze udział w indukcji apoptozy i hamowaniu transkrypcji genów kodujących białkowe przeciwutleniacze np.: Sod2
(ang. superoxide dismutase 2). Pokazano, że zwiększony poziom Bmi1 w neuronach towarzyszy obniżeniu stresu oksydacyjnego i działa neuroprotekcyjnie.
Starzenie komórkowe mogą indukować uszkodzone lub
skrócone telomery2. W jednej z prac porównano wpływ
efektu uszkodzenia telomerów na starzenie komórkowe
neuronów, astrocytów i neuroblastomy [55]. Uszkodzenie
telomerów wywołano upośledzeniem funkcji białka TRF2
(ang. telomeric repeat binding factor 2), które jest białkiem
kluczowym w utrzymaniu integralności telomerów. We
wszystkich badanych komórkach uaktywniło to ścieżkę
uszkodzeń DNA, aczkolwiek najmniej uszkodzeń wykryto w neuronach. We wszystkich komórkach obserwowano
obecność skupisk kinazy ATM w jądrze, istotnego przekaźnika informacji w szlaku uszkodzeń DNA. Natomiast
neurony zasadniczo różniły się od komórek mitotycznych
tym, że nie dochodziło w nich do wzrostu poziomu białka
p53, choć zaobserwowano wyraźny wzrost białka p21. Poza
tym w komórkach neuroblastomy i astrocytach wzrosła aktywność SA-β-gal, a w neuronach jej nie wykryto. Zaobserwowano również wydłużenie neurytów w komórkach neuroblastomy i różnicowanie neuronów w bardziej dojrzałe
komórki o dłuższych wypustkach. Na podstawie swoich i
innych badań autorzy sugerują, że białko p21 zaangażowane jest w proces różnicowania neuronów, które zachodzi w
wyniku aktywacji ścieżki uszkodzeń DNA.
Według teorii Blagosklonnyego, zatrzymanie podziałów
w komórkach mitotycznych nie musi jednoznacznie prowadzić do starzenia komórkowego. Warunkiem koniecznym
jest jednoczesna aktywacja w komórkach ścieżek stymulujących wzrost np. ścieżki kinazy mTOR (ang. mammalian
target of rapamycin). Prowadzi to m.in. do hipertrofii czyli
nadmiernego powiększenia się rozmiarów ciała komórki
zatrzymanej w cyklu i do zwiększenia jej aktywności wydzielniczej [56]. Komórkowa hipertrofia z kolei powoduje
aktywację autofagii, lizosomów oraz zwiększenia aktywności SA-β-gal. Przyczyną starzenia nie jest więc zatrzymanie
podziałów komórkowych per se, ale nadmierna stymulacja
funkcji komórki. Wg tej teorii nadmierna i chroniczna stymulacja funkcji komórki powoduje również starzenie komórek postmitotycznych, np. starzenie adipocytów związaWięcej o tym można znaleźć w tym numerze Postępów Biochemii w
artykule A. Bielak-Żmijewskiej, W. Grabowskiej i D. Przybylskiej
2
182
ne by było ze wzrostem akumulacji tłuszczu, a starzenie komórek gruczołów ze wzrostem ich fenotypu sekrecyjnego.
W przypadku neuronów takie podejście do badań procesu
ich starzenia się nie było do tej pory stosowane.
BADANIA NAD STARZENIEM NEURONÓW
W PIERWOTNYCH HODOWLACH NEURONALNYCH
Technika wydajnej izolacji i hodowli neuronów rozwinęła się znacząco na początku lat 90 XX wieku [57]. Wtedy też
zaczęto zwracać uwagę na zmiany zachodzące w komórkach wraz z wydłużonym czasem prowadzenia hodowli.
Pokazano m.in. rozwój i degenerację synaps, ich liczba w
przeliczeniu na komórkę osiągała maksimum w 28 dniu in
vitro, by stopniowo zmniejszać się do końca prowadzenia
obserwacji [58]. Stwierdzono też stopniowe zwiększanie
liczby kanałów wapniowych na powierzchni neuronów
powiązane z ich zwiększoną śmiertelnością [59]. Opisane
zmiany były traktowane jako naturalna stopniowa degeneracja pierwotnej hodowli, której nie utożsamiano ze starzeniem. Pierwsze spojrzenie na długotrwałą hodowlę neuronów jako model starzenia komórkowego miało miejsce w
1999 roku w badaniu zespołu Mariny Aksenovej [60]. Kilka
lub kilkanaście tygodni życia pierwotnej hodowli neuronalnej to okres tak intensywnej akumulacji uszkodzeń, że
według badaczy może być porównany z kilkudziesięcioma
latami w starzejącym się organizmie. Ageing in a dish, jak autorzy nazywają ten proces, to efekt przede wszystkim stresu oksydacyjnego. Ciśnienie cząstkowe tlenu w niektórych
strukturach mózgu nie przekracza 10 mmHg [61], podczas
gdy komórki hodowane w standardowym inkubatorze stykają się z wartościami pO2 dochodzącymi do 150 mmHg.
Aksenova poszerzyła ówczesne dane na temat degeneracji
neuronów w późnej fazie hodowli o wyniki badania utlenienia białek i poziomu kinazy kreatyninowej. Oba parametry rosły, co potwierdzało tezę o przyspieszonej akumulacji
uszkodzeń.
W innej pracy z tego okresu wykazano wzrastającą z czasem nitryfikację białek, parametr równie istotny co utlenianie, oraz zmiany w syntezie markerów synaptogenezy. Po
początkowym wzroście poziom synaptofizyny i synapsyny
IIa stabilizował się, a następnie malał począwszy od drugiego tygodnia. Pokazano też, że komórki z bardzo późnego stadium hodowli, niezależnie od zmian w fenotypie, są
zdolne do uruchomienia szlaku apoptozy. Działanie na stare neurony bodźcem uszkadzającym DNA (kamptotecyna)
wywoływało śmierć komórkową o tym samym natężeniu,
ale innym mechanizmie niż w komórkach kilkudniowych.
Różnica polegała przede wszystkim na braku aktywowanej
kaspazy-3 w przebiegu śmierci komórek starych [62].
Współczesne badania nad starzeniem neuronów in vitro
to z jednej strony próba pokazania klasycznych markerów
starzenia komórkowego w przedłużającej się hodowli pierwotnej, a z drugiej szukanie w niej wskaźników znanych
dotąd z chorób neurodegeneracyjnych lub pojawiających
się w mózgu starych organizmów. Sukcesem było opisanie spontanicznego wytwarzania β-amyloidu w hodowli
komórkowej. W badaniu na komórkach izolowanych ze
szczurzych hipokampów wykazano zarówno wydzielanie
amyloidu do środowiska, jak i tworzenie agregatów wewww.postepybiochemii.pl
gal. Wraz ze wzrastającą w
czasie populacją komórek
wykazujących zwiększoną
Model starzenia
Wskaźniki starzenia
Piśmiennictwo
aktywność SA-β-gal roHipokamp 20 div
SA-β-gal
[72]
sło stężenie reaktywnych
form tlenu, wskazując na
Hipokamp 40-65 div
β-Amyloid w medium i w komórce, ocena różnicowania
[63]
zwiększoną produkcję lub
Kora 12-24 div
IGF1-R
[64]
upośledzone mechanizmy
usuwania wolnych rodniHipokamp 30 div
karbonylacja białek, kinaza kreatyninowa
[60]
ków. Za pierwszym z poKora 22 div
β-Amyloid, neurotoksyczność
[68]
wodów przemawia obserwowany równolegle spaKora 28 div
spadek liczby synaps
[58]
dek potencjału Δψm błony
Hipokamp 30 div
SA-β-gal, potencjał Δψm, tworzenie reaktywnych form tlenu
[65]
mitochondrialnej,
który
obniżył się o 40% w czasie
Hipokamp 14-29 div
aktywacja kanału dla jonów wapnia TRPM2
[73]
trwania hodowli. ZdepoKora 15-60 div
synaptogeneza, kaspaza-3
[62]
laryzowana błona mitochondrium, co jest prawHipokamp 10-26 div
gęstość kolców dendrytycznych, receptory dla glutaminianu
[69]
dopodobnie konsekwencją
upośledzenia
łańcucha
oddechowego, może być
wnątrzkomórkowych, oba zjawiska pojawiały się po 2–3
przyczyną powstawania reaktywnych form tlenu [66].
tygodniach prowadzenia hodowli i znacznie się nasilały do
końca jej prowadzenia (60 dni). Wspomniane 2–3 tygodnie
Innym wskaźnikiem starzenia hodowli neuronów, mająuznano tym samym za granicę między hodowlą młodą a
cym odzwierciedlenie w starzeniu in vivo, jest zmiana w godojrzałą. Pokrywa się to ze zmianami w ekspresji genów.
spodarce jonów wapniowych. Niepobudzone neurony w 9
W 21 dniu hodowli znikają w komórkach ostatnie ślady
i 23 dniu hodowli różnią się stężeniem Ca2+, które w starych
nestyny będącej markerem niezróżnicowanych neuronów.
neuronach jest zauważalnie wyższe oraz kinetyką reakcji
Jednocześnie maksimum osiąga stężenie białka MAP2 chana bodziec uwalniający jony wapnia. Wyrzut Ca2+ jest w
rakterystycznego dla neuronów w pełni zróżnicowanych.
23-dniowych komórkach osłabiony, a powrót do poziomu
Poziom MAP2 maleje od 40 dnia in vitro, wyraźna też stawyjściowego znacznie opóźniony [67]. Wykazano też spaje się wtedy degeneracja sieci neuronalnej, ten etap można
dek częstotliwości wewnątrzkomórkowej oscylacji jonów
uznać za starzenie się neuronów [63].
wapnia, w neuronach 22-dniowych był o jedną czwartą niż-
Tabela 1. Wskaźniki starzenia zaobserwowane w pierwotnych hodowlach neuronalnych in vitro (div: ang. days in vitro), TRPM2
(ang. transient receptor potential cation channel, subfamily M, member 2).
Pierwotna hodowla neuronów jest de facto kokulturą komórek glejowych i neuronalnych. Zawartość gleju może być
różna w zależności od składu pożywki i sposobu izolacji, ale
wskaźnik ten wiąże się też wyraźnie ze starzeniem hodowli.
Stosunek GFAP (ang. glial fibryllary acidic protein), będącego białkiem specyficznym dla astrocytów, do MAP2 rośnie
liniowo przez cały czas jej trwania. Nie jest to tylko konsekwencja różnego tempa dojrzewania i śmierci obu typów
komórek. Jak pokazano w pracy Claudio Costantiniego i
wsp. [64] astroglej jest niezbędny do pojawienia się jednej
z cech starych neuronów, nadprodukcji receptora dla IGF1.
Poziom receptora, którego nadmiar obserwuje się m.in. w
mózgu osób dotkniętych demencją, rośnie z każdym dniem,
począwszy od drugiego tygodnia in vitro. W hodowli pozbawionej komórek glejowych traktowanej arabinozydem
cytozyny Ara-C (ang. cytosine arabinoside) blokującym ich
rozwój, nie obserwowano tej zależności. Liczba receptorów
IGF1-R pozostawała na stałym, niskim poziomie. Warto zauważyć, że stężenie IGF1-R rośnie w tych samych etapach
prowadzenia hodowli, co β-amyloid. Zatem zjawisko regulacji syntezy β-amyloidu przez sygnał od receptora dla
IGF1 znane z modeli in vivo zdaje się również występować
in vitro.
Od początku badań nad starzeniem neuronów in vitro
zwraca się uwagę na poziom reaktywnych form tlenu i
skutki ich działania. W doświadczeniu Weiguo Dong i wsp.
[65] skorelowano stężenie reaktywnych form tlenu i mitochondrialny potencjał błonowy Δψm z aktywnością SA-βPostępy Biochemii 60 (2) 2014
szy niż w neuronach 15-dniowych [68].
Starzenie jest prawie zawsze związane ze zmianami morfologicznymi komórek, ale w przypadku neuronów zmiany te są szczególne i ściśle związane z ich funkcją. Poza
typowym powiększeniem ciała komórki [62] obserwuje się
wspomnianą już degenerację sieci neuronalnej [63] oraz
zmiany w gęstości i budowie kolców dendrytycznych. Ten
ostatni parametr, oceniany liczbowo w obrazie mikroskopowym, potwierdził wcześniejsze dane pokazujące, że cechą
starych neuronów in vitro jest obniżenie plastyczności synaptycznej. Gęstość kolców dendrytycznych wzrasta między 10 a 18 dniem w hodowli i pozostaje na niezmienionym
poziomie do 21 dnia, po którym zaczyna spadać. W tym
samym momencie zaczyna zmniejszać się średnia wielkość
pojedynczego kolca [69].
Należy zaznaczyć, że nie wszystkie opisane parametry
przedłużonej hodowli pierwotnej muszą być równoznaczne
z cechami starzenia neuronów. Tylko część jednoznacznie
skorelowano z uznanymi markerami starzenia takimi jak
SA-β-gal. Z kolei ocena niektórych klasycznych markerów,
jak choćby inhibitorów cyklu komórkowego, nie daje odpowiedzi na temat starzenia neuronów, z powodu ich postmitotycznego charakteru. Jedno z doświadczeń wskazuje, że
hodowle komórkowe mogą być w większym stopniu modelami chorób neurodegeneracyjnych niż starzenia, czego dowodzi konwersja białka p35 (aktywatora kinazy Cdk5) do
p25 charakterystyczna dla choroby Alzheimera, a niezacho-
183
badaczy problemu starzenia pozostaje bardziej wnikliwe poznanie na poziomie molekularnym
genezy i mechanizmów zmian
zachodzących w neuronach.
PIŚMIENNICTWO
1.
Pakkenberg B, Gundersen HJ
(1997) Neocortical neuron number in
humans: effect of sex and age. J Comp
Neurol 384: 312-320
2.
West MJ, Coleman PD, Flood
DG, Troncoso JC (1994) Differences in
the pattern of hippocampal neuronal
loss in normal ageing and Alzheimer’s
disease. Lancet 344: 769-772
3.
Morrison JH, Baxter MG (2012)
The ageing cortical synapse: hallmarks
and implications for cognitive decline.
Nat Rev Neurosci 13: 240-250
4.
Burke SN, Barnes CA (2006)
Neural plasticity in the ageing brain. Nat
Rev Neurosci 7: 30-40
Rycina 2. Wpływ starzenia na fizjologię neuronów. Starzenie prowadzi do zmian w środowisku zewnątrzkomórkowym
i wewnątrzkomórkowym. Rozwija się stan zapalny. Podwyższony poziom stresu powoduje zmiany strukturalne neuronów m.in. spadek liczby kolców dendrytycznych i zmiany w proteomie, co prowadzi do zaburzeń istotnych procesów
fizjologicznych w neuronach takich jak: przekaźnictwo synaptyczne, przewodnictwo elektryczne oraz komunikacja z
glejem. Stare neurony, podobnie jak komórki mitotyczne, mają podwyższony poziom aktywności β-gal.
dząca w starzejącym się mózgu [70]. W zdrowym mózgu
kinaza Cdk5 odgrywa istotną rolę w takich procesach jak:
plastyczność synaptyczna, migracja neuronów, regulacja
cytoszkieletu. Nadmiar stresu w komórce powoduje enzymatyczne cięcie białka p35 do jego krótszej formy p25, której wiązanie do kinazy Cdk5 jest trwalsze i prowadzi do niekontrolowanej hiperfosforylacji różnych substratów kinazy
Cdk5 m.in. białka APP (ang. amyloid prekursor protein) i tau.
W konsekwencji rozwija się proces neurodegeneracyjny.
Nie można pominąć różnic w stosowanych modelach
starzejącej się hodowli (Tab. 1). Opisane wyżej badania wykonywano na różnych gatunkach, szczurach i myszach, a
do izolacji używano różnych obszarów mózgu, głównie
hipokampa i kory. Proces starzenia powinien być jednakowy dla wszystkich neuronów, jednak kinetyka tego procesu
może się znacząco różnić, podobnie jak różni się wrażliwość
pewnych obszarów mózgu na degenerację i stres oksydacyjny [71].
PODSUMOWANIE
Celem tego artykułu było przedstawienie przeglądu
literatury z dziedziny badań starzenia mózgu, a w szczególności starzenia neuronów. Starzenie prowadzi do aktywacji wewnątrzkomórkowych ścieżek odpowiedzi na stres.
Zaburzony jest m.in. metabolizm komórki, funkcjonowanie
białek, rozwija się stan zapalny, spada wrażliwość neuronów na czynniki troficzne i zdolność do plastyczności
synaptycznej (Ryc. 2). Zachodzące szkodliwe zmiany akumulują się z wiekiem i zwiększają podatność neuronów
na rozwój chorób neurodegeneracyjnych. Wyzwaniem dla
184
5.
Peters A, Sethares C, Luebke JI
(2008) Synapses are lost during aging in
the primate prefrontal cortex. Neuroscience 152: 970-981
6.
Dumitriu D, Hao J, Hara Y,
Kaufmann J, Janssen WG, Lou W, Rapp
PR, Morrison JH (2010) Selective changes in thin spine density and morphology
in monkey prefrontal cortex correlate
with aging-related cognitive impairment. J Neurosci 30: 7507-7515
7. Petralia RS, Mattson MP, Yao PJ (2014) Communication breakdown:
The impact of ageing on synapse structure. Ageing Res Rev, w druku
8. Bloss EB, Janssen WG, McEwen BS, Morrison JH (2010) Interactive effects of stress and aging on structural plasticity in the prefrontal cortex.
J Neurosci 30: 6726-6731
9. Bloss EB, Janssen WG, Ohm DT, Yuk FJ, Wadsworth S, Saardi KM,
McEwen BS, Morrison JH (2011) Evidence for reduced experience-dependent dendritic spine plasticity in the aging prefrontal cortex. J Neurosci 31: 7831-7839
10.Canas PM, Duarte JM, Rodrigues RJ, Köfalvi A, Cunha RA (2009)
Modification upon aging of the density of presynaptic modulation
systems in the hippocampus. Neurobiol Aging 30: 1877-1884
11.Smith TD, Adams MM, Gallagher M, Morrison JH, Rapp PR (2000)
Circuit-specific alterations in hippocampal synaptophysin immunoreactivity predict spatial learning impairment in aged rats. J Neurosci
20: 6587-6593
12.Geinisman Y, deToledo-Morrell L, Morrell F, Persina IS, Rossi M
(1992) Age-related loss of axospinous synapses formed by two afferent
systems in the rat dentate gyrus as revealed by the unbiased stereological dissector technique. Hippocampus 2: 437-444
13.Hara Y, Park CS, Janssen WG, Punsoni M, Rapp PR, Morrison JH
(2011) Synaptic characteristics of dentate gyrus axonal boutons and
their relationships with aging, menopause, and memory in female
rhesus monkeys. J Neurosci 31: 7737-7744
14.Geinisman Y, Ganeshina O, Yoshida R, Berry RW, Disterhoft JF, Gallagher M (2004) Aging, spatial learning, and total synapse number in the
rat CA1 stratum radiatum. Neurobiol Aging 25: 407-416
15.Scheff SW, Price DA, Sparks DL (2001) Quantitative assessment of
possible age-related change in synaptic numbers in the human frontal
cortex. Neurobiol Aging 22: 355-366
16.Applegate MD, Landfield PW (1988) Synaptic vesicle redistribution
during hippocampal frequency potentiation and depression in young
and aged rats. J Neurosci 8: 1096-1111
www.postepybiochemii.pl
17.Soghomonian JJ, Sethares C, Peters A (2010) Effects of age on axon
terminals forming axosomatic and axodendritic inhibitory synapses in
prefrontal cortex. Neuroscience 168:74-81
18.Nyffeler M, Zhang WN, Feldon J, Knuesel I (2007) Differential expression of PSD proteins in age-related spatial learning impairments. Neurobiol Aging 28: 143-155
19.Clayton DA, Mesches MH, Alvarez E, Bickford PC, Browning MD
(2002) A hippocampal NR2B deficit can mimic age-related changes
in long-term potentiation and spatial learning in the Fischer 344 rat. J
Neurosci 22: 3628- 36237
20.VanGuilder HD, Yan H, Farley JA, Sonntag WE, Freeman WM (2010)
Aging alters the expression of neurotransmission-regulating proteins
in the hippocampal synaptoproteome. J Neurochem 113: 1577-1588
21.VanGuilder HD, Farley JA, Yan H, Van Kirk CA, Mitschelen M, Sonntag WE, Freeman WM (2011) Hippocampal dysregulation of synaptic
plasticity-associated proteins with age-related cognitive decline. Neurobiol Dis 43: 201-212
22.Segovia G, Porras A, Del Arco A, Mora F (2000) Glutamatergic neurotransmission in aging: a critical perspective. Mech Ageing Dev 122:
1-29
23.Stephens ML, Quintero JE, Pomerleau F, Huettl P, Gerhardt GA (2011)
Age-related changes in glutamate release in the CA3 and dentate gyrus of the rat hippocampus. Neurobiol Aging 32: 811-820
24.Segovia G, Del Arco A, Mora F (1999) Effects of aging on the interaction between glutamate, dopamine, and GABA in striatum and nucleus accumbens of the awake rat. J Neurochem 73: 2063-2072
response in hippocampus of aged, memory-impaired rats. J Neurosci
17: 2876-2885
37.Small SA, Chawla MK, Buonocore M, Rapp PR, Barnes CA (2004) Imaging correlates of brain function in monkeys and rats isolates a hippocampal subregion differentially vulnerable to aging. Proc Natl Acad
Sci USA 101: 7181-7186
38.Penner MR, Roth TL, Barnes CA, Sweatt JD (2010) An epigenetic hypothesis of aging-related cognitive dysfunction. Front Aging Neurosci
2: 9
39.Vecsey CG, Hawk JD, Lattal KM, Stein JM, Fabian SA, Attner MA,
Cabrera SM, McDonough CB, Brindle PK, Abel T, Wood MA (2007)
Histone deacetylase inhibitors enhance memory and synaptic plasticity via CREB:CBP-dependent transcriptional activation. J Neurosci 27:
6128-6140
40.Penner MR, Roth TL, Chawla MK, Hoang LT, Roth ED, Lubin FD,
Sweatt JD, Worley PF, Barnes CA (2011) Age-related changes in Arc
transcription and DNA methylation within the hippocampus. Neurobiol Aging 32: 2198-2210
41.Camandola S, Mattson MP (2011) Aberrant subcellular neuronal calcium regulation in aging and Alzheimer’s disease. Biochim Biophys
Acta 1813: 965-973
42.Thibault O, Landfield PW (1996) Increase in single L-type calcium
channels in hippocampal neurons during aging. Science 272: 10171020
43.Toescu EC, Verkhratsky A, Landfield PW (2004) Ca2+ regulation and
gene expression in normal brain aging. Trends Neurosci 27: 614-620
25.Hattiangady B, Rao MS, Shetty GA, Shetty AK (2005) Brain-derived
neurotrophic factor, phosphorylated cyclic AMP response element
binding protein and neuropeptide Y decline as early as middle age
in the dentate gyrus and CA1 and CA3 subfields of the hippocampus.
Exp Neurol 195: 353-371
44.Gleichmann M, Chow VW, Mattson MP (2011) Homeostatic disinhibition in the aging brain and Alzheimer’s disease. J Alzheimers Dis
24: 15-24
26.D’Costa AP, Xu X, Ingram RL, Sonntag WE (1995) Insulin-like growth
factor-1 stimulation of protein synthesis is attenuated in cerebral cortex of aging rats. Neuroscience 65: 805-813
46.Lu T, Aron L, Zullo J, Pan Y, Kim H, Chen Y, Yang TH, Kim HM,
Drake D, Liu XS, Bennett DA, Colaiácovo MP, Yankner BA (2014)
REST and stress resistance in ageing and Alzheimer’s disease. Nature
507: 448-454
27.Mattson MP, Magnus T (2006) Ageing and neuronal vulnerability. Nat
Rev Neurosci 7: 278- 294
28.Keller JN, Hanni KB, Markesbery WR (2000) Possible involvement of
proteasome inhibition in aging: implications for oxidative stress. Mech
Ageing Dev 113: 61-70
29.Bergamini E, Cavallini G, Donati A, Gori Z (2003) The anti-ageing effects of caloric restriction may involve stimulation of macroautophagy
and lysosomal degradation, and can be intensified pharmacologically.
Biomed Pharmacother 57: 203-208
30.Floyd RA, Hensley K (2002) Oxidative stress in brain aging. Implications for therapeutics of neurodegenerative diseases. Neurobiol Aging
23: 795- 807
31.Yang S, Liu T, Li S, Zhang X, Ding Q, Que H, Yan X, Wei K, Liu S
(2008) Comparative proteomic analysis of brains of naturally aging
mice. Neuroscience 154: 1107-1120
32.Ottis P, Topic B, Loos M, Li KW, de Souza A, Schulz D, Smit AB, Huston JP, Korth C (2013) Aging-induced proteostatic changes in the rat
hippocampus identify ARP3, NEB2 and BRAG2 as a molecular circuitry for cognitive impairment. PLoS One 8, doi: 10.1371/annotation/2546f4c2-b07f-4450-8d3c-f3ee81127b4a
33.Quintas A, de Solís AJ, Díez-Guerra FJ, Carrascosa JM, Bogónez E
(2012) Age-associated decrease of SIRT1 expression in rat hippocampus: prevention by late onset caloric restriction. Exp Gerontol 47: 198201
34.Blalock EM, Chen KC, Sharrow K, Herman JP, Porter NM, Foster TC,
Landfield PW (2003) Gene microarrays in hippocampal aging: statistical profiling identifies novel processes correlated with cognitive impairment. J Neurosci 23: 3807-3819
35.Lu T, Pan Y, Kao SY, Li C, Kohane I, Chan J, Yankner BA (2004) Gene
regulation and DNA damage in the ageing human brain. Nature 429:
883-891
36.Lanahan A, Lyford G, Stevenson GS, Worley PF, Barnes CA (1997)
Selective alteration of long-term potentiation-induced transcriptional
Postępy Biochemii 60 (2) 2014
45.Jagust W (2013) Vulnerable neural systems and the borderland of
brain aging and neurodegeneration. Neuron 77: 219-234
47.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
48.Hunter S, Arendt T, Brayne C (2013) The senescence hypothesis of disease progression in Alzheimer disease: an integrated matrix of disease
pathways for FAD and SAD. Md Neurobiol 48: 556-570
49.Golde TE, Miller VM (2009) Proteinopathy-induced neuronal senescence: a hypothesis for brain failure in Alzheimer’s and other neurodegenerative diseases. Alzheimers Res Ther 1:5
50.Bhat R, Crowe EP, Bitto A, Moh M, Katsetos CD, Garcia FU, Johnson
FB, Trojanowski JQ, Sell C, Torres C (2012) Astrocyte senescence as a
component of Alzheimer’s disease. PLoS One 7: e45069
51.Salminen A, Ojala J, Kaarniranta K, Haapasalo A, Hiltunen M, Soininen H (2011) Astrocytes in the aging brain express characteristics of
senescence-associated secretory phenotype. Eur J Neurosci 34: 3-11
52.Chinta SJ, Lieu CA, Demaria M, Laberge RM, Campisi J, Andersen JK
(2013) Environmental stress, ageing and glial cell senescence: a novel
mechanistic link to Parkinson’s disease? J Intern Med 273: 429-436
53.Zhang G, Li J, Purkayastha S, Tang Y, Zhang H, Yin Y, Li B, Liu G, Cai
D (2013) Hypothalamic programming of systemic ageing involving
IKK-β, NF-κB and GnRH. Nature 497: 211-216
54.Abdouh M, Chatoo W, El Hajjar J, David J, Ferreira J, Bernier G (2012)
Bmi1 is down-regulated in the aging brain and displays antioxidant
and protective activities in neurons. PLoS One 7: e31870
55.Zhang P, Furukawa K, Opresko PL, Xu X, Bohr VA, Mattson MP (2006)
TRF2 dysfunction elicits DNA damage responses associated with senescence in proliferating neural cells and differentiation of neurons. J
Neurochem 97: 567-581
56.Blagosklonny MV (2011) Cell cycle arrest is not senescence. Aging 3:
94-101
185
57.Brewer GJ, Torricelli JR, Evege EK, Price PJ (1993) Optimized survival
of hippocampal neurons in B27-supplemented Neurobasal, a new serum-free medium combination. J Neurosci Res 35: 567-576
58.Ichikawa M, Muramoto K, Kobayashi K, Kawahara M, Kuroda Y
(1993) Formation and maturation of synapses in primary cultures of
rat cerebral cortical cells: an electron microscopic study. Neurosci Res
16: 95-103
59.Porter NM, Thibault O, Thibault V, Chen KC, Landfield PW (1997)
Calcium channel density and hippocampal cell death with age in longterm culture. J Neurosci 17: 5629-5639
60.Aksenova MV, Aksenov MY, Markesbery WR, Butterfield DA (1999)
Aging in a dish: age-dependent changes of neuronal survival, protein
oxidation, and creatine kinase BB expression in long-term hippocampal cell culture. J Neurosci Res 58: 308-317
61.Secomb TW, Hsu R, Beamer NB, Coull BM (2000) Theoretical simulation of oxygen transport to brain by networks of microvessels: effects
of oxygen supply and demand on tissue hypoxia. Microcirculation 7:
237-247
62.Lesuisse C, Martin LJ (2002) Long-term culture of mouse cortical neurons as a model for neuronal development, aging, and death. J Neurobiol 51: 9-23
63.Bertrand SJ, Aksenova MV, Aksenov MY, Mactutus CF, Booze RM
(2011) Endogenous amyloidogenesis in long-term rat hippocampal
cell cultures. BMC Neurosci 12: 38
64.Costantini C, Lorenzetto E, Cellini B, Buffelli M, Rossi F, Della-Bianca V (2010) Astrocytes regulate the expression of insulin-like growth
factor 1 receptor (IGF1-R) in primary cortical neurons during in vitro
senescence. J Mol Neurosci 40: 342-352
65.Dong W, Cheng S, Huang F, Fan W, Chen Y, Shi H, He H (2011) Mitochondrial dysfunction in long-term neuronal cultures mimics changes
with aging. Med Sci Monit 17: 91-96
66.Parihar MS, Brewer GJ (2007) Simultaneous age-related depolarization
of mitochondrial membrane potential and increased mitochondrial reactive oxygen species production correlate with age-related glutamate
excitotoxicity in rat hippocampal neurons. J Neurosci Res 85: 10181032
67.Toescu EC, Verkhratsky A (2000) Neuronal ageing in long-term cultures: alterations of Ca2+ homeostasis. Neuroreport 11: 3725-3729
68.Kuroda Y, Kobayashi K, Ichikawa M, Kawahara M, Muramoto K
(1995) Application of long-term cultured neurons in aging and neurological research: aluminum neurotoxicity, synaptic degeneration and
Alzheimer’s disease. Gerontology 1: 2-6
69.Nwabuisi-Heath E, LaDu MJ, Yu C (2012) Simultaneous analysis of
dendritic spine density, morphology and excitatory glutamate receptors during neuron maturation in vitro by quantitative immunocytochemistry. J Neurosci Methods 207: 137-147
70.Kim MJ, Oh SJ, Park SH, Kang HJ, Won MH, Kang TC, Park JB, Kim
JI, Kim J, Lee JY (2007) Neuronal loss in primary long-term cortical
culture involves neurodegeneration-like cell death via calpain and p35
processing, but not developmental apoptosis or aging. Exp Mol Med
39: 14-26
71.Valadka AB, Gopinath SP, Contant CF, Uzura M, Robertson CS (1998)
Relationship of brain tissue PO2 to outcome after severe head injury.
Crit Care Med 26: 1576-1581
72.Geng YQ, Guan JT, Xu XH, Fu YC (2011) Senescence-associated beta-galactosidase activity expression in aging hippocampal neurons.
Biochem Biophys Res Commun 396: 866-869
73.Belrose JC, Xie YF, Gierszewski LJ, MacDonald JF, Jackson MF (2012)
Loss of glutathione homeostasis associated with neuronal senescence
facilitates TRPM2 channel activation in cultured hippocampal pyramidal neurons. Mol Brain 5: 11
Neuronal ageing
Małgorzata Piechota, Piotr Sunderland
Laboratory of the Molecular Bases of Aging, Nencki Institute of Experimental Biology, 3 Pasteura St., 02-093 Warsaw, Poland

e-mail: [email protected]
Key words: ageing, senescence, neuron, stress, synapse, plasticity, brain
ABSTRACT
Ageing leads to irreversible alterations in the nervous system, which to various extent impair its functions such as capacity to learn and memory. In old neurons and brain, similarly to what may take place in other cells, there is increased oxidative stress, disturbed energetic homeostasis and metabolism, accumulation of damage in proteins and nucleic acids. Characteristic of old neurons are alterations in plasticity, synaptic
transmission, sensitivity to neurotrophic factors and cytoskeletal changes. Some markers of senescence, whose one of them is SA-β-galactosidase were used to show the process of neuronal ageing both in vitro, and in vivo. Some research suggest that, despite the fact that neurons are
postmitotic cells, it is cell cycle proteins which play a certain role in their biology, e.g. differentiation. However, their role in neuronal ageing
is not known or explained. Ageing is the serious factor of development of neurodegenerative diseases among others Alzheimer disease.
186
www.postepybiochemii.pl