Главным кандидат на звание эликсира бессмертия July 26th, 2016
Когда мне было лет 10 все вокруг практически уверенно говорили, что пройдет буквально 50 лет и люди будут жить не менее 200 лет. Наука и медицина несомненно должна была шагать семимильными шагами и мы точно должны были увидеть прорыв. Но сейчас понятно, что на это надо наверное еще лет 200. Однако, смотрите про что я узнал...
Оказывается существуют теломеры - это концевые участки линейной молекулы ДНК, которые состоят из повторяющейся последовательности нуклеотидов. У человека и других позвоночных повторяющееся звено имеет формулу TTAGGG (буквы обозначают нуклеиновые основания). В отличие от других участков ДНК теломеры не кодируют белковые молекулы, в некотором роде это "бессмысленные" участки генома.
В 1971 году российский ученый Алексей Матвеевич Оловников впервые предположил, что при каждом делении клеток эти концевые участки хромосом укорачиваются. То есть длина теломерных участков определяет "возраст" клетки - чем короче теломерный "хвост", тем она "старше".
Через 15 лет это предположение экспериментально подтвердил английский ученый Говард Кук. Правда, нервные и мышечные клетки взрослого организма не делятся, теломерные участки в них не укорачиваются, а между тем они "стареют" и умирают. Поэтому вопрос о том, как "возраст" клетки связан с длиной теломер, остается по сей день открытым. Одно несомненно - теломеры служат своего рода счетчиком клеточных делений: чем они короче, тем большее число делений прошло с момента рождения клетки-предшественницы.
Сколько отведено человеку для жизни, мало кто может сказать, почему человек стареет. Ученые уже давно задаются вопросом: что происходит в организме и запускает процесс старения? Клетки могут делиться, и казалось бы, организм будет вечно молодым, здоровым и жить вечно, но оказывается наши клетки могут обновляться до определенного количества раз, а потом наступает время болезней и процесса старения, что приводит к смерти, невозможности клеток возобновляться. Существует много теорий, рассматривающие разные аспекты, как первопричину старения, но сегодня известная настоящая причина, с которой справиться никто не может.
Одни ученые говорят, что старение начинается с процессом повреждения и распада белка. А белок, как мы уже знаем, является строительным материалом нашего тела, в частности костей. Другие исследователи видят гены смерти, которые начинают активизироваться в старости. Еще одно мнение: организм накапливает загрязнения, если доза мусора в организме превышает допустимую, то запускается очередность заболеваний, организм истощается и умирает. Также существует иммунологическая теория. В какую из них верить, дело каждого. Истинная причина, почему человек стареет и начинается отмирание клеток находится в нашем генетическом коде.
Старение начинается из-за укорачивания длины теломер – это конечный участок генетического кода (ДНК). Теломеры направлены защищать хромосомы от прилипания друг к другу, что может повлечь потерю информации. Такие выводы сделали ученные в процессе наблюдения за жизнью клеток молодых и в процессе их старения. Длина теломер в генах молодых клеток отличается от состарившихся. Теломеры ДНК в молодых клетках длиннее, чем концы в старых клетках. Когда теломера разрушается, погибает клетка. Клетка имеет способность делиться до тех пор, пока ее теломера не разрушиться.
Такая теория должна была найти объяснения и доводы. Были проведены опыты над мышами. Специалисты в области генетики искусственным образом укорачивали теломеры клетки ДНК у здоровой молодой мыши. Чем короче становилась теломера, тем больше появлялось заболеваний, характеризующих процесс старения. Полученные результаты послужили доказательством теории зависимости молодости и старения от длины теломер в клетках. При укорачивании длины теломер возникают такие заболевания: артрит, артроз, дегенеративный и дистрофические процессы, заболевания, связанные с сердечно-сосудистой системой, нарушения нервной системы, остеопороз, изменения в кожном покрове.
Теломераза - это фермент-"удлинитель", его функция - достраивать концевые участки линейных молекул ДНК, "пришивая" к ним повторяющиеся нуклеотидные последовательности - теломеры. Клетки, в которых функционирует теломераза (половые, раковые), бессмертны. В обычных (соматических) клетках, из которых в основном и состоит организм, теломераза "не работает", поэтому теломеры при каждом делении клетки укорачиваются, что в конечном итоге приводит к ее гибели.
В 1997 году американские ученые из университета Колорадо получили ген теломеразы. Затем в 1998-м исследователи из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета в Далласе встроили ген теломеразы в клетки кожи, зрительного и сосудистого эпителия человека, где фермент в обычных условиях "не работает". В таких генетически модифицированных клетках теломераза находилась "в рабочем состоянии" - пришивала к концевым участкам ДНК нуклеотидные последовательности, поэтому длина теломер от деления к делению не менялась. Таким способом ученым удалось увеличить жизнь обычных клеток человека в полтора раза. Не исключено, что этот метод поможет найти ключ к продлению жизни.
Итак, теломераза остается главным кандидатом на звание эликсира бессмертия. И в то же время этот фермент - один из главных факторов злокачественного перерождения клеток. Раковые клетки бессмертны благодаря тому, что в них "работает" теломераза. Вот почему бессмертие и рак в природе как бы уравновешивают друг друга: бессмертный организм теоретически может жить вечно, но он неминуемо погибнет от рака.
И вот в прошлом году был найден способ удлинения теломер для продления жизни. Ученые из Стэнфордского университета разработали метод стимуляции концевых участков хромосом, которые отвечают за старение человека.
Новая технология использует модифицированную РНК, несущую в себе ген обратной теломеразной транскриптазы (TERT). Введение рибонуклеиновой кислоты многократно повышает активность теломеразы на 1−2 дня, за которые та активно удлиняет теломеры, и запрограммированная РНК распадается. Полученные в итоге клетки ведут себя аналогично «молодым» и делятся во много раз интенсивнее, чем клетки контрольной группы.
Таким образом удалось удлинить теломеры более чем на 1000 нуклеотидов, что эквивалентно нескольким годам человеческой жизни. Что важно, процесс совершенно безопасен для здоровья и не приводит к неконтролируемому делению клеток: иммунная система просто не успевает отреагировать на введенную в организм РНК, которая бесследно распадается. Открытие поможет увеличить количество клеток для исследований медицинских препаратов и моделирования заболеваний, а в перспективе и для продления жизни.
источники
Елена Фокина
Старость – самое неожиданное, что поджидает нас в жизни.
Лев Троцкий
Одна из распространенных причин обращения к косметологу связана с желанием оттянуть старение, предотвратить увядание кожи и образование морщин. В распоряжении косметологов – богатый арсенал методов и средств воздействия для доставки в клетки недостающих питательных веществ, активизации их функции, и все же речь может идти лишь о замедлении возрастных изменений. А можно ли остановить старение раз и навсегда? Еще недавно этот вопрос показался бы по меньшей мере наивным, ведь всем известно, что этот процесс генетически запрограммирован. Но открытие теломераз позволило взглянуть на него по-другому.
Не так давно на рынке стали появляться косметические средства и пищевые добавки, содержащие активаторы теломеразы; производители заявляют, что они способны продлить способность клеток к размножению. А на какое количество размножений запрограммированы клетки?
Предел Хейфлика
Известно, что некоторые клетки могут размножаться почти до бесконечности – половые, стволовые, опухолевые, но подавляющее большинство клеток со временем утрачивают способность к делению. В 1960-е годы Леонард Хейфлик с группой ученых представил данные о том, что даже в идеальных условиях выращивания фибробласты, полученные от эмбриона человека, делятся ограниченное число раз (около 50 делений). Даже при самом тщательном соблюдении всех мер предосторожности при пересевах in vitro клетки проходят ряд морфологически различимых стадий, после чего способность фибробластов к пролиферации утрачивается, и в таком состоянии они могут находиться длительное время. Хейфлик пробовал заморозить фибробласты после 20 делений, а потом через год разморозить. Фибробласты делились в среднем еще 30 раз, то есть до своего предела.
Эти наблюдения были неоднократно подтверждены другими исследователями, а сам феномен получил название по имени автора – «предел Хейфлика».
Помимо этого оказалось, что с увеличением возраста донора число возможных делений для клеток организма существенно уменьшалось, из чего был сделан вывод о существовании некоего счетчика, ограничивающего общее число делений.
Но как объяснить наличие этого предела у одних клеток и его отсутствие у других?
Теломеры
Слово «теломер» происходит от двух греческих слов: τέλος – «конец», μέρος – «часть», и означает концевой участок хромосом.
Как известно, за хранение и передачу наследственной информации отвечают хромосомы. Полимерная молекула ДНК в составе хромосом сохраняет свою стабильность именно за счет теломеров. Теломеры – концевые фрагменты хромосом – были идентифицированы американцем Германом Мёллером в 1930-е гг., во время работы учёного в Советском Союзе. Исследования, проведенные в начале 1940-х годов, показали, что концевые участки защищают хромосомы от перестроек и разрывов.
Сегодня известно, что теломеры состоят из повторяющихся нуклеотидных участков и специальных белков, ориентирующих эти участки в пространстве определенным образом. Состав нуклеотидов в теломерах устойчив, так у всех позвоночных в них повторяется набор из шести нуклеотидов – TTAGGG (буквы обозначают нуклеиновые основания). Благодаря наличию этих устойчивых повторов в теломерах клеточная система восстановления повреждений не путает теломерный участок со случайным разрывом, благодаря чему конец одной хромосомы не может соединиться с разрывом другой. В отличие от других участков ДНК теломеры не кодируют белковые молекулы, т. е. не содержат ценной генетической информации.
В 1971 году российский ученый А. М. Оловников впервые выдвинул гипотезу, что при каждом делении клеток эти концевые участки хромосом укорачиваются. Деление клетки начинается с удвоения ее хромосом, содержащих генетический материал. Удвоение обеспечивает особый фермент – ДНК-полимераза. Это белок, функция которого состоит в том, чтобы, двигаясь вдоль цепочки ДНК, синтезировать другую такую же цепочку. ДНК-полимераза начинает свое движение не с самого кончика хромосомы, а чуть отступив от его начала. Вследствие неспособности ДНК-полимеразы к репликации конца ДНК-цепи, при каждом делении длина теломер сокращается на 50–200 пар оснований. Т.е. при каждом удвоении часть ДНК теряется, не попав под действие ДНК-полимеразы. Если бы потерянный участок содержал важную генетическую информацию, то могли бы быть утеряны гены, необходимые для синтеза необходимых для клетки белков.
Таким образом, длина теломерных участков определяет возраст клетки – чем они короче, тем клетка старше и большее число делений прошло с момента рождения клетки-предшественницы. Заметим, что это правило распространяется не на все клетки – нервные и мышечные клетки взрослого организма не делятся, теломерные участки в них не укорачиваются, а между тем они «стареют» и умирают. Поэтому вопрос о связи старения с длиной теломер остается и по сей день не до конца выясненным.
Итак, после новых и новых циклов деления теломеры будут сокращаться всё больше. Но если концы хромосом лишатся теломеров, то белок, который может чинить разорвавшиеся хромосомы, «принимает» их за разорванные части и может соединить между собой разные хромосомы. Укорачивание теломеров действует сродни митотическим часам (от слова «митоз» – процесса деления одной клетки на две), регулирующим пролиферативный потенциал клеток, и, по достижении критического уровня длины, предрасполагает к ассоциации теломер (ТАs) и хромосомной нестабильности, которые могут привести к изменениям в структуре клеток и генетическим расстройствам. Когда подобных повреждений в геноме накапливается определенное количество, в клетке запускается программа апоптоза – механизма клеточной смерти.
Существуют несколько исследований in vitro, указывающих на то, что укорачивание теломеров в ходе старения соматически нормальных клеток может являться причиной сенесценции (блокирования способности клеток к репликации, англ. senescence). Другими словами, критическая длина теломер останавливает процесс деления клеток.
По мере укорочения теломер клетки «стареют», хуже функционируют и реже делятся, а стволовые клетки реже производят новые копии, а к какому-то моменту перестают их производить совсем.
Было выяснено, что при уменьшении длины теломер до критического уровня (приблизительно 2,5 Kb) клетки и достигают предела Хейфлика.
Существует ли какой-нибудь природный механизм, позволяющий повлиять на укорочение теломеров?
Теломеразы
В октябре 2009 года лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине стали американские учёные Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth H. Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) и Джек Шостак (Jack W. Szostak). Они удостоились этой престижной научной награды за открытие защитных механизмов хромосом, связанных с действием теломераз. Было установлено, что специальный фермент – теломераза – при помощи собственной РНК-матрицы достраивает теломерные повторы, присоединяя к ним нуклеотидные последовательности и удлиняя теломеры. Таким образом, было показано, что теломерные повторы могут быть восстановлены, а теломераза способна поддерживать длину теломеров постоянной.
Исследование началось в середине 1980-х годов, когда Кэрол Грейдер поступила на работу в лабораторию Э. Блэкбёрн, именно она обнаружила, что в клеточных экстрактах инфузории происходит присоединение теломерных повторов к синтетической теломероподобной «затравке». Очевидно, в экстракте содержался какой-то белок, способствовавший наращиванию теломеров. Грейдер и Блэкбёрн определили, что в состав теломеразы входят белковая молекула, которая, собственно, осуществляет синтез теломеров, и молекула РНК, служащая матрицей для их синтеза. Теломеразная РНК окружена белком и служит шаблоном, по которому белок пристраивает к теломерам хромосомы новые участки, те самые последовательности TTAGGG. В результате теломеры вновь удлиняются, и клеточное старение останавливается.
После обнаружения теломеразы у инфузорий затем ее выявили в дрожжах, растениях и у животных, в том числе в яичниках и раковых клетках человека. В большинстве дифференцированных клеток теломераза заблокирована, однако в стволовых и половых клетках она активна. Клетки, в которых функционирует теломераза (половые, раковые), бессмертны. В обычных (соматических) клетках, из которых в основном и состоит организм, теломераза не активна, поэтому теломеры при каждом делении клетки укорачиваются, что в конечном итоге приводит к их гибели.
В организме человека есть одна группа клеток, которая фактически бессмертна, – это клетки половой линии. В теле человека созревают половые клетки, одна из них участвует в оплодотворении, делится, из нее получается новый организм, у которого созревают свои половые клетки и так далее. В таких клетках фермент теломераза активен. Теломераза часто бывает активна и в клетках опухолей, а ученые добавляют ее в клетки, из которых хотят получить вечно живущую лабораторную культуру.
Какие задачи поставило перед учеными открытие теломеразы?
Направления научных исследований
В последние годы теломераза постоянно находится в фокусе внимания исследователей всего мира. В ферменте теломеразе исследователи видят и ключ к механизмам старения, и причину неудержимого размножения опухолевых клеток.
Известно, что теломераза, подавленная в соматических клетках (за исключением половых и стволовых клеток), активизируется в раковых клетках, поддерживая пролиферацию и развитие опухолей. Высокая активность теломеразы зафиксирована в большей части раковых опухолей.
Кроме того, было обнаружено, что некоторые злокачественные опухоли поддерживают длину своих теломеров в отсутствие активности теломеразы посредством механизма, получившего название ALT («альтернативное удлинение теломер» – alternative lengthening of telomeres), который обеспечивает возможность долгосрочной пролиферации клеток.
Наличие теломеразной активности в тех соматических клетках, где она обычно не проявляется, может быть маркёром злокачественной опухоли и индикатором неблагоприятного прогноза.
Показательный пример бессмертия опухолевых клеток – клеточная линия HeLa, которая используется в онкологических исследованиях. Ее клетки были получены в 1951 году в Балтиморе у пациентки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks, в честь нее и дано название HeLa), страдавшей раком шейки матки. Вот уже больше шестидесяти лет потомки этих клеток живут и делятся в сотнях лабораторий разных стран.
Задача ученых – «отключить» теломеразу. Тогда теломеры в раковых клетках снова будут укорачиваться, после порогового числа делений клетки станут гибнуть, и рост опухоли прекратится. Значит, нужны ингибиторы теломеразы.
Ингибирующие агенты теломеразы могут вызывать потерю теломер раковыми клетками и гибель последних до того, как нормальные клетки с более длинными теломерами подвергнутся вредному воздействию из-за потери собственных теломер. Кроме того, теломераза может быть полезна для прогнозирования клинического курса пациента с подтверждённым раковым диагнозом.
Активность теломеразы можно использовать для ранней диагностики рака путём неинвазивного тестирования, а ингибиторы этого фермента могут найти применение в качестве противоопухолевых средств с высоким уровнем селективности для трансформированных клеток. Вместе с тем теломераза не является первоисточником рака.
С другой стороны, известно, что реактивация теломеразы продлевает «репликативную» жизнь соматических клеток, т. е. увеличивает число их делений. Однако, это именно то, что происходит в опухолях и приводит их к злокачественному росту.
Одним из предлагаемых путей достижения долголетия с учетом риска онкологических заболеваний является реактивация теломеразы в пролиферирующих клетках на фоне стимулирования активности онкосупрессоров.
Введение теломеразы в клетки фибробластов человека увеличивает количество их делений примерно в 3 раза без каких-либо признаков старения и патологии. Полученные данные свидетельствуют о том, что экспрессия теломеразы в культуре клеток человека совсем не обязательно вызывает развитие рака, т. е. сама по себе теломераза лишена свойств онкогена. Основным свойством теломеразы является контроль клеточного деления, а для возникновения опухолевого роста необходимы дополнительные мутации и факторы.
Исследователи Стэнфордского университета и компании Geron провели эксперименты с «кожей», выращенной из клеток человека в лабораторных условиях. Они установили, что инфицирование клеток модифицированным ретровирусом, встраивающим в их геном ген теломеразы, обеспечивает искусственной коже восстановление эластичности, мягкости и фактуры, характерных для кожи молодого организма.
В настоящее время ученые работают над проблемой, как увеличить продолжительность жизни путем активизации теломеразы, избежав при этом риска онкологических заболеваний.
А можем ли мы уже сейчас, не дожидаясь результатов научных разработок, предпринять какие-то шаги для сохранения собственных теломеров?
Влияние образа жизни на длину теломеров
Стресс пагубно влияет не только на клетки головного мозга, но и на весь организм в целом. Под действием стресса происходит снижение защитных механизмов, в том числе и на клеточном уровне, с уменьшением предела Хейфлика и преждевременной гибелью клеток.
С другой стороны, здоровый образ жизни замедляет старение клеток на молекулярном уровне. Таковы результаты исследования, проведенного учеными из Сан-Франциско, в котором приняли участие 239 женщин.
Все участницы эксперимента не имели серьезных заболеваний, не курили и находились в возрасте после менопаузы. Здоровый образ жизни означал: сон в достаточном количестве, здоровое питание и физические нагрузки. Участницы эксперимента вели дневники, в которых описывали свой образ жизни и переживаемые стрессы.
Авторы исследования измеряли длину теломеров в клетках иммунной системы у испытуемых в начале эксперимента и спустя год. Оказалось, что сильный стресс действительно способствовал укорочению теломеров, однако у женщин, которые вели более здоровый образ жизни, укорочение в пересчете на одно стрессовое событие было достоверно меньше, чем у женщин, ведущих менее здоровый образ жизни. То есть, похоже, что здоровый образ жизни, хоть и неспособен уменьшить число стрессов, помогает переносить их легче, без особого вреда для организма.
Победить старение организма и приобрести бессмертие мечтает человечество на протяжении всего своего существования. Над достижением этой цели сейчас работают лучшие биологи мира. Возможно, мы подошли к ней уже совсем близко. Теломераза – недавно открытый фермент, отвечающий за бессмертие организма. Но чем будет это открытие? Спасением, сбывшейся мечтой или новым бичом человечества?
Совсем недавно было открыто, что за старение или бессмертие клеток отвечают окончания хромосом, названные теломерами. Апоптоз – биологически запрограммированный процесс старения клетки. Его задача в том, чтобы не дать размножаться клеткам с поврежденными ДНК. У многоклеточных организмов апоптоз отвечает за морфогенез – правильное образование и развитие тканей и органов. Делается это при помощи контроля скорости деления клеток. Одни клетки размножаются быстрее и давят на соседние ткани, в результате орган занимает нужное положение в организме.
Находящиеся на концах хромосом теломеры отвечают не только за бессмертие или старение организма. Они также предохраняют соединение хромосомы с участками ДНК других хромосом, таким образом, препятствуя мутации клетки. Старение основано на неспособности ДНК-полимеразы (фермента отвечающего за копирование ДНК при размножении клетки) копировать ДНК с самого её конца. Таким образом, при каждом делении теломеры на концах хромосом становятся всё короче. Этот процесс длительный, но со временем теломеры исчезают, ДНК хромосом начинает набирать ошибки и возникает мутация клетки. Со временем мутации достигают такого количества, что клетка становится неспособной обеспечивать саму себя питательными веществами и поддерживать постоянство внутренней среды. Клетка погибает.
Однако некоторые клетки имеют кардинальное отличие. Клетки внутренней стенки кишечника, клетки, отвечающие за образование сперматозоидов, а также бактерии и раковые клетки могут делиться бесконечно долго и никогда не стареют. Эта способность обеспечивается особым ферментом, способствующим копированию цепочки ДНК с самого её конца. Таким образом, ответственные за сохранение целостности хромосомы теломеры никогда не исчезают, и клетка становится бессмертной. Этот фермент называется теломераза.
В норме при исчезновении теломер, ДНК клетки с каждым делением накапливает ошибки. В результате ДНК приходит в негодность и клетка гибнет. Но бывает так, что очередная мутация затрагивает участок, кодирующий фермент теломеразу. Из-за этого уже накопившая ошибки ДНК прекращает свое дальнейшее разрушение, давая клетке бессмертие. Но из-за накопленных ошибок клетка не может выполнять свои функции, с этого момента все ресурсы клетки тратятся исключительно на её размножение. Ткань становится злокачественным новообразованием.
Нужно понимать, что активация теломеразы не является причиной появления рака. Например, клетки эндотелия кишечника благодаря теломеразе бессмертны, но при этом не являются злокачественными и успешно выполняют свои функции. Злокачественное образование имеет два кардинальных отличия:
— бессмертие клеток ткани в результате активации теломеразы;
— ошибки в ДНК клетки, из-за чего она не выполняет свои функции.
Именно оба этих фактора, а не только первый, отличают злокачественные клетки.
Способность влиять на теломеразу – ключ к бессмертию и избавлению человечества от онкологических заболеваний. Для избавления от рака необходимо научится отключать теломеразу у отдельных клеток, не затрагивая её функции в остальных тканях и органах. Добиться этого можно путем введения необходимых ферментов местно, в злокачественные ткани.
Добиться бессмертия – задача более сложная. При этом активирующий теломеразу препарат ТА-65 уже получен и поступил в продажу. Но изучение теломеразы не доведено до конца, некоторые её функции в различных тканях ещё не изучены. Несмотря на позитивные результаты от применения препарата, многие врачи рекомендуют использовать его только с разрешения специалиста и при его контроле. Другие врачи рекомендуют отказаться от препарата вовсе.
Главным компонентом препарата является циклоастрогенол – вещество природного происхождения, содержащееся в корне перепончатого астрагала. Его способность активировать теламеразу была доказана ещё в 2009 году. Вещество было опробовано на мышах. В ходе экспериментов обнаружилось, что препарат возвращает молодость особям, избавляет от многих хронических заболеваний. Негативных побочных эффектов не было обнаружено.
Несмотря на это некоторые врачи рекомендуют воздержаться от покупки препарата, обосновывая это отсутствием длительных клинических испытаний на людях. Тем не менее, препарат поступил в продажу и уже имеет множество постоянных покупателей. Курс приема ТА-65 рассчитан на три месяца, после чего необходимо делать перерыв на несколько недель. В день принимают от 1 до 4 таблеток. Их назначение возможно лишь в специализированных клиниках, после выяснения биологического возраста. Стоимость колеблется в зависимости от страны и способа приобретения. Упаковка в 30 таблеток оценивается в 15-25 тысяч рублей, упаковка в 90 таблеток оценивается в 40-55 тысяч рублей.
Гипотеза о роли теломера/теломеразы в старении клеток и развитии опухолевого роста стала получать все большую экспериментальную и клиническую поддержку и может быть продуктивно использована как для понимания некоторых вопросов канцерогенеза, так и для разработки новых путей противоопухолевой терапии.
Из-за существования, так называемых, «проблем концевой репликации ДНК», выражающихся в невозможности полного восстановления длины теломера при каждом ресинтезе ДНК, в процессе деления соматических клеток происходит его последовательное укорочение. Достижение теломером минимальной длины, способной защитить хромосомы от повреждения при митозе, является сигналом для выхода клеток из митотического цикла. Исходя из этого, теломеры принято считать «биологическими часами клетки», их роль в процессах репликационного «старения» изучается.
Длина теломеров обычно определяется после расщепления клеточной ДНК мелкощепящими рестриктазами путем измерения терминальных рестрикционных фрагментов (теломеры не расщепляются) мечеными теломерными олигонуклеотидами в реакции блот-гибритизации и выражается числом «килобаз» (kb) .
В табл. 4.4.1. приведены данные о средней длине теломеров кроветворных клеток различных иерархических уровней.
Таблица 4.4.1. Длина теломеров различных кроветворных клеток (kb)
Из представленных данных следует, что наиболее длинные теломеры были выявлены в клетках тканей плода и новорожденных. В мононуклеарных и CD-34+ клетках периферической крови и костного мозга взрослых длина теломеров оказалась значительно ниже. В последние годы было установлено, что укорочение теломеров в детском возрасте происходит значительно скорее, чем у взрослых. Так, в работе Zeicher S., Palumbo Р., было показано, что у 9 детей в течение 3-х первых лет жизни скорость укорочения теломеров клеток крови оказалась в 4 раза выше, чем у взрослых, соответственно 270 bp и 50 bp в год.
Минимальная длина теломера, при которой еще возможно деление в нормальных тканях - 2 kb. Исходя из данных, полученных при культивировании фибробластов, об укорочении теломеров на 50 bp при каждом делении, нетрудно рассчитать, сколько митотических циклов может пройти клетка, имея ту или иную длину теломера, детерминированную уровнем клеточной дифференцировки, а также генетикой и возрастом индивидуума. Это число может быть значительным, составляя, например, для клеток плода и новорожденного 60-80 удвоений. Такие представления и дали основание считать теломеры «биологическими часами» клеток. Предполагается, что укорочение теломера является механизмом, определяющим число клеточных делений, предшествующих старению.
«Репродуктивное» старение клеток человека может быть разделено на 2 стадии: Ml (стадия смертности 1) и М2 (стадия смертности 2). Стадия Ml наступает после значительного укорочения теломерных участков хромосом, контролируется супрессорными белками р53 и pRb и выражается в «аресте» клеток, т.е. выходе их из митотического цикла временно или вследствие конечной дифференцировки. При недостаточности функциональной активности этих белков происходит критическое укорочение теломеров и наступает стадия М2, включающая механизм апоптоза.
Противостоит этим событиям теломераза - рибонуклеопротеиновый энзим , который используется в качестве матрицы для синтеза TTAGGG последовательностей в концевых участках хромосом, препятствуя таким образом укорочению теломеров.
Теломераза - нормальный компонент зародышевых и самообновляющихся тканей, но в большинстве соматических клеток отсутствует или присутствует в редуцированном количестве.
Таблица 4.4.2. Уровень активности теломеразы в нормальных гемопоэтических клетках (+ - +++ степень выраженности по данным, представленным в цитируемых источниках)
Система кроветворения является быстро обновляющейся тканью. Теломераза обнаруживается практически во всех дифференцированных клетках. Находясь там в количестве, недостаточном для иммортализации, теломераза способствует, по-видимому, замедлению темпа укорочения теломеров. В полипотентных стволовых клетках содержание теломеразы ниже, чем в коммитированных предшественниках.
Это казалось бы хорошо согласуется с тем, что в популяции стволовых клеток доля делящихся клеток много меньше, чем в популяции предшественников. Однако связывать активность теломеразы с пролиферативным статусом клеток было бы большим упрощением, поскольку известно, например, что активно пролиферирующие СD34-негативные предшественники имеют уровень активности теломеразы, сопоставимый с низко пролиферирующей популяцией стволовых клеток.
При культивировании CD34+ клеток активность теломеразы стимулируется смесью колониестимулирующих факторов, а цитокины, стимулирующие апоптоз (например, TGFb1), и высокие концентрации ретиноевой кислоты, напротив, снижают активность теломеразы. Митогенная стимуляция лимфоцитов повышает примерно в 20 раз активность теломеразы, которая постепенно снижается до исходного уровня через 5-10 последовательных удвоений.
Приведенные выше данные заставляют предположить существование эндогенного репрессора теломеразы.
Особенно демонстративно это следует из экспериментов по гибридизации теломер-позитивных и теломер-негативных клеток: в гибридных клонах, способных к пролиферации, уровень теломеразы оказался очень низким или не выявлялся вовсе.
Действительно, локус, ответственный за репрессию теломеразы, был выявлен на коротком плече хромосомы 3. Делеция региона 3р21 часто наблюдается при мелкоклеточном и не мелкоклеточном раке легкого и сопровождается увеличением активности теломеразы. Более того, введение нормальной хромосомы 3 в опухолевую клеточную линию с высокой активностью теломеразы вызывает ее снижение, постепенное укорочение теломеров и остановку пролиферации через 100 дней культивирования.
Эти данные являются основанием для следующих предположений:
Высокая активность теломеразы характерна для большинства злокачественных опухолей. В табл.4.4.3 суммированы данные литературы о частоте высокой теломеразной активности при злокачественных новообразованиях различной локализации. Учитывались результаты определения теломеразной активности методом амплификации теломерных последовательностей в PCR-реакции (TRAP-метод). Метод этот отличается большой чувствительностью, недостатком его является возможность только полуколичественной оценки.
Таблица 4.4.3. Частота высокой активности теломеразы при раках разной локализации
*- активность выше базового уровня содержания фермента в нормальных клетках крови.
Рисунок 4.1. Пути старения клетки. Ген А, ген В, ген С - гены старения, картированные на хромосомах 4,1,7. Рисунок а - вариант старения клетки, когда работают все механизмы программы клеточного старения; программа продолжает выполняться при сохранении хотя бы одного из зффекторных механизмов старения (рис.b, с); условие иммортализации клетки - отключение всех механизмов старения (рис.d)
Приведенные данные показывают, что подавляющее большинство злокачественных опухолей характеризуется существенным повышением активности теломеразы. В клетках нормальных тканей, из которых исходит опухоль, активность теломеразы обычно отсутствует. Исключение составляют лишь стволовые кроветворные клетки, яички и яичники плода.
Определение активности теломеразы успешно используется для дифференциальной диагностики и прогноза течения злокачественных новообразований. Для злокачественных заболеваний, исходящих из кроветворных клеток, характерным является нарушение механизма, обеспечивающего стабилизацию хромосом: укорочение теломеров ниже критического предела приводит к снижению теломеразной активности и остановке деления.
Большинство онкогематологических заболеваний отличает сочетание высокой активности теломеразы с резким укорочением теломерных участков хромосом (ниже 5 kb).
Механизм возникновения такой закономерности остается нерасшифрованным: либо высокая активность теломеразы в опухоли возникает в ответ на укорочение теломеров и является результатом извращения нормальных регуляторных механизмов, либо в опухоли сохраняется высокая теломеразная активность образующей ее клоногенной стволовой клетки, следствием чего и является чрезмерная потеря теломерных последовательностей.
Теломеразная активность опухолевых клеток способствует высокому пролиферативному потенциалу, а неполноценность теломеров при продолжающемся клеточном делении формирует генетическую нестабильность, вызывает дополнительные мутации и хромосомные аберрации, лежащие в основе опухолевой прогрессии.
Интересные данные были получены Ohyashiki Y., Iwama Н.,е.а: при исследовании 93 больных с МДС у 35 пациентов было выявлено резкое укорочение теломеров. Именно в этой группе больных значительно чаще наблюдали низкую концентрацию гемоглобина, высокий процент бластных клеток, высокую частоту цитогенетических аномалий, чаще отмечалась лейкемическая трансформация.
Резкое повышение теломеразной активности (в 10-50 раз по сравнению с нормой) при ОМЛ, по мнению некоторых исследователей, является плохим прогностическим показателем и свидетельствует о лекарственной резистентности бластных кеток.
Итак, теломер/теломеразная гипотеза старения и рака может быть сформулирована следующим образом:
В перспективности этого направления убеждают наблюдения над больными с особой формой нейробластомы у детей, при которой, несмотря на наличие метастазов, часто наступает спонтанная ремиссия. Отличительной особенностью этой формы нейробластомы является отсутствие активности теломеразы в опухолевых клетках.
В настоящее время можно прогнозировать развитие следующих направлений, рассчитанных на подавление теломеразной активности в опухолевых клетках:
Другим ограничением может стать токсическое воздействие на стволовые клетки самообновляющихся тканей и герментативные органы. Однако большая длина теломеров в клетках этих тканей позволяет считать, что циторедуктивный эффект в опухолевых клетках наступит раньше, чем в нормальных клетках-мишенях, а последующая отмена препарата приведет к восстановлению теломеразной активности нормальных клеток.
Практическое применение этого направления терапии требует дальнейших теоретических и эксперимертальных исследований, но представляется весьма заманчивым.
Е.Б. Владимирская
В 2009 году Нобелевская премия по физиологии и медицине вручена трём американским учёным, разрешившим важную биологическую проблему: как хромосомы при делении клетки копируются полностью , без того, чтобы ДНК на их кончиках укорачивалась? В результате их исследований стало известно, что «защитным колпачком» для хромосом служат особым образом устроенные окончания ДНК - теломеры , достройкой которых занимается специальный фермент - теломераза .
Длинная нитеобразная молекула ДНК - главный компонент хромосом, несущий генетическую информацию, - с обоих концов закрыта своего рода «заглушками» - теломерами . Теломеры представляют собой участки ДНК с уникальной последовательностью и защищают хромосомы от деградации. Это открытие принадлежит двум лауреатам Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 г. - Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn ), уроженке США и в настоящее время сотруднице Университета Калифорнии (Сан-Франциско, США), и Джеку Шостаку (Jack Szostak ), профессору . Элизабет Блэкберн в сотрудничестве с третьим лауреатом премии этого года - Кэрол Грейдер (Carol Greider ), сотрудницей Университета Джона Хопкинса , - открыла в 1984 году фермент теломеразу , синтезирующий ДНК теломер (и тем самым достраивая их после неизбежного при каждом копировании хромосомы укорачивания). Таким образом, исследования, отмеченные премией в этом году (около 975 тысяч евро, поделенные поровну между лауреатами), объясняют, как теломеры защищают кончики хромосом, и как теломераза синтезирует теломеры.
Давно отмечено, что старение клетки сопровождается укорачиванием теломер. И, наоборот, в клетках с высокой активностью теломеразы, достраивающей теломеры, длина последних остается неизменной, и старение не наступает. Это, кстати, относится и к «вечно молодым» раковым клеткам, в которых механизм естественного ограничения роста не действует. (А для некоторых наследственных заболеваний характерна дефектная теломераза, что приводит к преждевременному клеточному старению.) Присуждение за работы в этой области Нобелевской премии является признанием фундаментального значения этих механизмов в живой клетке и огромного прикладного потенциала, заложенного в отмеченных работах.
В хромосомах содержится наш геном, а «физическим» носителем генетической информации являются молекулы ДНК. Ещё в 1930 году Герман Мёллер (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1946 года «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения») и Барбара Мак-Клинток (лауреат Нобелевской премии в той же категории 1983 года «за открытие транспозирующих генетических систем») обнаружили, что структуры на концах хромосом - так называемые теломеры - предотвращали слипание хромосом между собой. Было высказано предположение, что теломеры выполняют защитную функцию, но механизм этого явления оставался совершенно неизвестным.
Позже, в 1950-х, когда уже было в общих чертах понятно, как копируются гены, возникла другая проблема. При делении клетки основание за основанием дублируется и вся клеточная ДНК, - при помощи ферментов ДНК-полимераз. Однако для одной из комплементарных цепей возникает проблема: самый конец молекулы не может быть скопирован (дело тут в «посадочном» сайте ДНК-полимеразы). Вследствие этого, хромосома должна укорачиваться при каждом делении клетки, - хотя на самом деле этого не происходит (на рисунке: 1).
И та, и другая проблема были со временем решены, за что в этом году и вручают премию.
Ещё в начале своей научной карьеры Элизабет Блэкберн занималась картированием последовательностей ДНК на примере одноклеточного жгутикового организма тетрахимены (Tetrahymena ). На концах хромосомы она обнаружила повторяющиеся последовательности ДНК вида CCCCAA, функция которых была на тот момент совершенно неизвестна. В то же время Джек Шостак обнаружил, что линейные молекулы ДНК (что-то вроде минихромосомы), введённые в клетку дрожжей, очень быстро деградируют.
Исследователи встретились на конференции в 1980 г., где Блэкберн докладывала свои результаты, заинтересовавшие Шостака. Они решили провести совместный эксперимент, в основе которого было «растворение барьеров» между двумя эволюционно весьма далёкими видами (на рисунке: 2). Блэкберн выделила из ДНК тетрахимены последовательности CCCCAA, а Шостак присоединил их к минихромосомам, помещённым затем в клетки дрожжей. Результат, опубликованный в 1982 году, превзошёл ожидания: теломерные последовательности действительно защищали ДНК от деградации! Это явление наглядно продемонстрировало существование неизвестного ранее клеточного механизма, регулирующего процессы старения в живой клетке. Позже подтвердилось наличие теломер в подавляющем большинстве растений и животных - от амёбы до человека.
В 1980-х аспирантка Кэрол Грейдер работала под началом Элизабет Блэкберн; они начали изучение синтеза теломер, за который должен был отвечать неизвестный на ту пору фермент. В канун рождества 1984 года Грейдер зарегистрировала искомую активность в клеточном экстракте. Грейдер и Блэкберн выделили и очистили фермент, получивший название теломераза , и показали, что в его состав входит не только белок, но и РНК (на рисунке: 3). Молекула РНК содержит «ту самую» последовательность CCCCAA, используемую в качестве «шаблона» для достройки теломер, в то время как ферментативная активность (типа обратной транскриптазы ) принадлежит белковой части фермента. Теломераза «наращивает» ДНК теломеры, обеспечивая «посадочное место» для ДНК-полимеразы, достаточное для копирования хромосомы без «краевых эффектов» (то есть, без потерь генетической информации).
Учёные начали активно заниматься исследованием роли теломер в клетке. Лаборатория Шостака установила, что дрожжевая культура с мутацией, приводящей к постепенному укорачиванию теломер, развивается очень медленно и, в конце концов, вообще прекращает рост. Сотрудники Блэкберн показали, что в тетрахимене с мутацией в РНК теломеразы наблюдается в точности такой же эффект, который можно охарактеризовать фразой «преждевременное старение» . (По сравнению с этими примерами, «нормальная» теломераза предотвращает укорачивание теломер и задерживает наступление старости.) Позже в группе Грейдер открыли, что те же механизмы работают и в клетках человека. Многочисленные работы в этой области помогли установить, что теломера координирует вокруг своей ДНК белковые частицы, образующие защитный «колпачок» для кончиков молекулы ДНК.
Описанные открытия имели самый сильный резонанс в научном сообществе. Многие учёные заявляли, что укорачивание теломер является универсальным механизмом не только клеточного старения, но и старости всего организма в целом. Однако со временем стало понятно, что теломерная теория не является пресловутым «молодильным яблоком», поскольку процесс старения на самом деле чрезвычайно сложен и многосторонен, и не сводится исключительно к «подрезанию» теломер. Интенсивные исследования в этой области продолжаются и сегодня.
Большинство клеток делится не так уж часто, так что их хромосомы не находятся в зоне риска чрезмерного укорачивания и, в общем-то, не требуют высокой теломеразной активности. Другое дело - раковые клетки: они обладают способностью делиться бесконтрольно и бесконечно, как бы не зная о бедах с укорачиванием теломер. Оказалось, что в опухолевых клетках очень высокая активность теломеразы, что и защищает их от подобного укорачивания и придаёт потенциал к неограниченному делению и росту. В настоящее время существует подход к лечению рака, использующий концепцию подавления теломеразной активности в раковых клетках, что привело бы к естественному исчезновению точек бесконтрольного деления. Некоторые средства с антителомеразным действием уже проходят клинические испытания.
Ряд наследственных заболеваний характеризуется сниженной теломеразной активностью, - например, апластическая анемия, при которой из-за низкого темпа деления стволовых клеток в костном мозге развивается анемия. К этой же группе относится ряд заболеваний кожи и лёгких.
Открытия, сделанные Блэкберн, Грейдер и Шостаком, открыли новое измерение в понимании клеточных механизмов, и, несомненно, имеют огромное практическое применение - хотя бы в лечении перечисленных заболеваний, а может быть (когда-нибудь) - и в обретении если не вечной, то хотя бы более длительной жизни.
