Эликсир бессмертия. Теломеры и теломераза – гипотезы и открытия

В рубрике «Материалы к уроку» два подарка. Один – для преподавателей естественно-научных дисциплин, статья посвящена Нобелевской премии по физиологии и медицине 2009 года. Другой – для учителей, преподающих изо, МХК, такой диалог вели реальные учитель и ученик в Сети. А каким получился ваш разговор о картине Гогена? Пишите нам!

Открытия биологов Элизабет Блэкберн (экспериментально выделила теломеры), Кэрол Грейдер (выделила и очистила фермент теломеразу), Джона Шостака (построил работающую молекулярную модель) заслужили Нобелевскую премию 2009 года по физиологии и медицине за «открытие механизмов защиты хромосом теломерами и ферментом теломеразой».

Экспертный совет РАН исправил ошибку Нобелевского комитета, проигнорировавшего приоритет российского ученого. Он объявил А.М.Оловникова лауреатом Демидовской премии 2009 года за цикл работ, в которых впервые в мире предсказано укорочение хромосом при старении, описан эффект концевой недорепликации любых линейных молекул ДНК и, кроме того, предсказано существование теломеразы как фермента, компенсирующего укорочение теломер.

В 1938 году классики генетики Барбара Мак-Клинток и Герман Меллер независимо друг от друга обнаружили, что фрагментация хромосом под действием рентгеновского облучения ведет к деградации (разрушению) хромосом, но участки в области естественных концов остаются сохраненными. Если разрушить и их, хромосомы могут сливаться, что вызывает генетические аномалии. Таким образом, концы линейных хромосом защищены специальными структурами, которые были названы теломерами (греч. «телос» – конец и «мерос» – часть).

Как стало известно в 1953 году, наследственная информация хранится в клетке в виде двойной спирали – двухцепочечной молекулы ДНК (открытие Уотсона и Крика). Эта огромная спираль разбита на 23 неравномерных отрезка – хромосомы, увиденные впервые под микроскопом еще в XIX веке. Когда клетке пора делиться, каждая хромосома удваивается (происходит репликация ДНК) – комплекс специальных ферментов расплетает двойную нить ДНК и достраивает на каждой половинке недостающую цепочку. Получаются две копии двунитевой ДНК, которые расходятся в дочерние клетки.

В 1961 году американский ученый Леонард Хейфлик доказал, что клетки не могут бесконечно делиться. Пройдя в культуре 30-50 циклов (у каждого вида по-разному), они перестают размножаться и гибнут. Это число – количество клеточных делений, которое клетка может пройти до смерти организма, – было названо лимитом Хейфлика (в частности, для большинства человеческих клеток число делений – не больше 52).

В 1971 году Алексей Оловников теоретически объяснил, почему так происходит. Впервые была обозначена проблема укорочения хромосом. Русский ученый назвал ее «концевой недорепликацией ДНК». Он предположил, что в норме за одно деление клетки теломеры сокращаются на 16 нуклеотидов, а при наличии хронических инфекций – и на целых 100. Согласно теории ученого подобный казус происходит из-за недорепликации концов теломер. Во время деления на основной цепи ДНК «сидит» полимераза и строит за собой вторую цепочку. Но дело в том, что для начала работы полимеразе нужна затравка, которая представляет собой короткий отрезок РНК, комплементарный основной цепи ДНК. После окончания синтеза второй цепи РНК-затравка удаляется, а цепь ДНК остается недостроенной на начальном участке (ДНК-полимераза не обладает активностью, позволяющей достроить однонитевую ДНК в обратном направлении). На следующем цикле репликации молекула ДНК укорачивается еще на один размер РНК-затравки и так далее. И именно этот участок РНК, составляющий порядка 16 нуклеотидов, исчезает в новой клетке. По сути дела, ученый открыл природу механизма Хейфлика.

Также он предположил, что в нестареющих клетках (к ним помимо раковых относятся зародышевые, стволовые и половые) должна существовать специализированная ферментативная система, которая поддерживает длину теломеразной ДНК. Ведь если теломеры укорачиваются с каждым делением, то как минимум в половых и раковых клетках они должны удлиняться, а значит, существует ответственный за это фермент. Следует упомянуть, что Джеймс Уотсон – открыватель двойной спирали – немного позже и совершенно независимо пришел к точно таким же выводам.

Гипотеза Оловникова нашла убедительное подтверждение в последующие годы.

В 80-е годы Д.Галл, Э.Блэкберн и Д.Шостак экспериментально установили, что на конце каждой молекулы ДНК присутствует некая последовательность белков. Эти концевые участки хромосом экранированы и не копируются при клеточном делении. Также стало известно, что теломеры нормальных клеток укорачиваются на 50-60 нуклеотидных звеньев при каждом клеточном делении.

Потом в 1984 году был выделен фермент, синтезирующий теломеразную ДНК, – теломераза (Э.Блэкберн и К.Грейдер). Было установлено, что уже после деления теломераза при помощи собственной РНК-матрицы достраивает теломерные повторы и удлиняет теломеры. Таким образом, был решен остававшийся до сих пор нерешенным в общем-то частный вопрос – каким образом копируется тот самый кончик ДНК, который ДНК-полимераза из-за своей специфической активности достроить не может.

1985 год. Теломераза была обнаружена у инфузории, затем в дрожжах, растениях и у животных, в том числе в яичниках и раковых клетках человека.

1997 год. В калифорнийской корпорации Geron в сотрудничестве с Техасским университетом (США) был открыт ген теломеразы.

На сегодня установлено, что теломераза – это фермент-удлинитель, его функция – достраивать концевые участки линейных молекул ДНК, пришивая к ним повторяющиеся нуклеотидные последовательности – теломеры.

В отношении теломер выяснено, что они защищают хромосомы от деградации, так как в них находится так называемая ненужная последовательность ДНК. Утрата этой последовательности никак не сказывается на организме, поскольку она не содержит генов и на ее основе не синтезируется никаких белков. Теломеры состоят из специализированной линейной хромосомной ДНК в виде коротких тандемных повторов.

Теломерная ДНК попала в поле зрения молекулярных биологов сравнительно недавно, известно, что ее код универсален для человека, млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб. Он построен из TTAGGG-блоков (шесть нуклеотидных остатков), но у человека длина теломерной ДНК составляет от 2 до 20 тысяч пар оснований, а у некоторых видов мышей может достигать и сотен тысяч пар.

С другой стороны, теломеры служат своеобразными якорями, удерживающими хромосомы на ядерном опорном скелете, так называемом матриксе.

Но вот в январе 1998 года мир буквально был взорван сообщением о том, что группе американских ученых (лаборатории Д.Шейя, В.Райт) удалось заставить нормальные клетки человека преодолеть «лимит Хейфлика» почти вдвое. Причиной стало обновление теломер под действием теломеразы, активность которой до того была зафиксирована на нулевом уровне (ее заставили заработать генно-инженерными манипуляциями).

Как и предполагал А.М.Оловников почти полвека назад, феномен концевой недорепликации сегодня в биологии стал считаться одним из важнейших факторов старения, а его отсутствие – фактором онкогенеза.

Теломераза, таким образом, на сегодня стала главным кандидатом на то, чтобы называться эликсиром бессмертия. Получается, что, управляя длиной теломер и их восстановлением, можно отчасти управлять старением. Чем меньше становятся с возрастом теломеры, тем сильнее проявляется старение организма. Механизм постепенного старения выглядит следующим образом – на теломерах, т. е. концах ДНК, каждого организма на нашей планете находятся специальные белки, и когда теломеры сокращаются, эти белки отрываются от них и перемещаются к жизненно важным генам и выключают их, тем самым снижая уровень биосинтеза белка (основы жизни) в организме.

Два десятилетия назад считалось, что один из механизмов старения – прекращение работы теломеразы. Хромосомы укорачиваются, геном ломается, клетка гибнет. Но, оказывается, если выключить теломеразу, организм живет до конца своего срока – ибо запас длины теломер достаточен. Теломера нужна для спасения рода – если бы теломеры укорачивались все время, начало бы страдать следующее поколение.

Любопытно, что природа потрудилась изобрести старение при переходе от концевой молекулы ДНК к линейной, так как с каждым клеточным циклом линейная молекула ДНК укорачивается. У живых существ, в ядрах клеток которых ДНК не линейна, а замкнута (как у бактерий), старения не происходит, отсюда и бессмертие. Если же с помощью методов генной инженерии реактивизировать теломеразу, а она стабилизирует теломеры в соматических клетках, где заблокирована в норме, то клетки перестают стареть, при этом у них отсутствуют признаки онкологии. Теоретически можно продлить жизнь человека.

Уже сегодня вполне реально активизировать теломеразу в клетках кожи при ее пересадке в случае сильных ожогов и тем самым активизировать их рост. Или, например, «омолодить» клетки сетчатки глаза таким же образом. Уже начата разработка лекарства для активации теломеразы в клетках иммунной системы, что поможет бороться со стрессом, СПИДом и другими заболеваниями.

Также согласно многочисленным научным исследованиям размер теломер может колебаться при стрессовых воздействиях, укорачиваться при онкогенезе. Однако раковые клетки бессмертны. В них теломераза пришивает к концам молекулы ДНК хвосты, поэтому при делении клеток хромосомы не укорачиваются. Эти данные дали надежду на то, что рак можно победить. Дело в том, что в отличие от нормальных клеток раковые делятся очень часто, бесконечно, и для них отключение теломеразы оказывается фатальным. Уже сегодня разработаны и проходят испытание лекарственные препараты, которые позволят бороться с некоторыми формами раковых опухолей подавлением (ингибированием) активности теломеразы.

Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук