De ce îmbătrânesc celulele și cum influențează oxigenul acest proces natural

Un studiu realizat la The Rockefeller University și publicat în jurnalul Molecular Cell a analizat relația dintre scurtarea telomerelor, senescența replicativă și activarea proteinei ATM în celulele umane. Cercetarea arată modul în care nivelul de oxigen influențează activarea ATM și toleranța celulară la telomere scurte.
Celulele umane se divid de un număr finit de ori. La fiecare replicare, telomerele - structuri protectoare de la capetele cromozomilor - se scurtează treptat. Când devin suficient de scurte, ele nu mai pot recruta adecvat proteina TRF2, componentă a complexului shelterin, iar capătul cromozomului este perceput ca o leziune de ADN. Această situație declanșează un răspuns robust de oprire a ciclului celular, proces numit senescență replicativă.

Senescența replicativă este un mecanism de suprimare tumorală extrem de puternic. Persoanele cu telomere anormal de lungi pot dezvolta multiple cancere înainte de vârsta de 70 de ani, ceea ce subliniază rolul critic al scurtării telomerelor în prevenirea transformării maligne. Totuși, mecanismele moleculare exacte care conduc la activarea senescenței replicative nu erau pe deplin elucidate, în special rolul diferiților senzori ai rupturilor de ADN (ATM și ATR) și modul în care nivelul de oxigen influențează acest proces.

De decenii, biologii au observat că celulele crescute în laborator la aproximativ 20% oxigen ating senescența mult mai repede decât cele menținute în condiții fiziologice (1–8% oxigen). Explicația tradițională - accelerarea scurtării telomerelor - a fost infirmată, ceea ce a ridicat noi întrebări privind efectul real al oxigenului asupra îmbătrânirii celulare.

Despre studiu

Cercetătorii au analizat fibroblaste umane primare crescute la 3% oxigen (condiție fiziologică) și la 20% oxigen (condiție atmosferică standard). Pentru a menține cele 3% oxigen, toate manipulările celulare - de la transferul plăcilor la liza celulară - au trebuit realizate rapid pentru a minimiza expunerea accidentală la oxigen atmosferic, deoarece chiar și câteva minute puteau modifica semnificativ mediul molecular al celulelor.

Echipa a investigat explicit rolul kinazei ATM, un senzor esențial al rupturilor de ADN. S-au efectuat:

• Inhibirea ATM în celule aflate în proliferare;
• Supraproducția proteinei TRF2 pentru a împiedica recunoașterea telomerelor ca leziuni;
• Blocarea semnalizării ATM în celule deja senescente pentru a evalua reversibilitatea opririi ciclului celular;
• Analiza activității ATM în funcție de nivelul de oxigen;
• Investigații biochimice privind formarea punților disulfurice între moleculele ATM și identificarea acestora cu ajutorul tehnicilor de proteomică.

Rezultatele au demonstrat că ATM este singura kinază din răspunsul la deteriorarea ADN responsabilă pentru inducerea și menținerea senescenței replicative. Inhibarea ATM a permis celulelor să continue diviziunile chiar și după depășirea limitei normale, iar blocarea ATM în celule deja oprite în ciclul celular a reactivat proliferarea. Acest lucru confirmă că senescența replicativă este complet dependentă de ATM.

Rolul oxigenului și al speciilor reactive de oxigen

Studiul a arătat că nivelul ridicat de oxigen determină apariția unei forme hiperactive de ATM, ceea ce face ca telomerele scurte să fie tolerate mult mai puțin. La 3% oxigen, celulele pot continua să se dividă chiar și cu telomere foarte scurte; în schimb, la 20% oxigen, ATM reacționează excesiv și induce rapid senescența.

Contrar așteptărilor, concentrația de specii reactive de oxigen (ROS) este mai mare la oxigen scăzut. Aceste ROS determină formarea de dimeri de ATM prin punți disulfurice. Dimerii de ATM nu se pot activa în prezența rupturilor de ADN sau a telomerelor neprotejate, reducând astfel răspunsul la deteriorare. Cercetătorii au identificat locurile exacte din structura ATM unde se formează aceste punți disulfurice, demonstrând că cel puțin una dintre aceste legături este esențială pentru reglarea sensibilității ATM de către oxigen.

Rezultate

Principalele descoperiri ale studiului includ:

• Senescența replicativă este determinată exclusiv de activarea ATM la nivelul telomerelor critice lipsită de TRF2.
• Inhibitorii ATM pot reactiva divizibilitatea celulelor aflate în senescență, demonstrând reversibilitatea completă a opririi.
• Longevitatea extinsă a celulelor crescute la 3% oxigen se explică printr-un răspuns slăbit al ATM la rupturile de ADN.
• ROS crescute la oxigen fiziologic generează dimeri ATM inactivi, ceea ce reduce sensibilitatea la deteriorarea ADN.

Aceste rezultate au implicații importante pentru studiile de laborator. Majoritatea experimentelor pe celule umane se desfășoară la 20% oxigen, ceea ce înseamnă că activitatea ATM este constant într-o stare hiperactivă, deci nefiziologică. Autorii sugerează verificarea rezultatelor obținute la aceste niveluri de oxigen în condiții mai apropiate de fiziologie.

Implicațiile clinice sunt de asemenea importante: multe tumori trăiesc în micro-mediu hipoxic, ceea ce reduce activarea ATM și permite celulelor maligne să supraviețuiască cu telomere extrem de scurte. Restaurarea funcției ATM în aceste condiții ar putea forța celulele canceroase să intre în senescență.