9.8.3. Естественный предел продолжительности жизни

В начале 1960 года Леонид Хейфлик установил, что нормальные диплоидные клетки человека могут делиться только (50  60) раз. Если создать на питательной среде культуру клеток человека (обеспечить питание, газообмен, удаление продуктов обмена при температуре, близкой к оптимальной для организма), то они примерно через 50 делений погибают. Нормальные клетки человека и других животных в культуре смертны.

Достигнув лимита Хейфлика клетки переходят в состояние сенесенса (от англ. senescence – старение, одряхление), при котором резко изменяется метаболизм, после чего клетки гибнут. Таким образом, было обнаружено, что существует естественный предел продолжительности жизни. Возникает вопрос, можно ли превзойти лимит Хейфлика?

Известно, например, что зародышевые (эмбриональные) и стволовые, то есть не дифференцированные клетки, а также раковые клетки делятся неограниченное число раз. Посмотрим, от чего зависит продолжительность жизни клеток.

Теломеры

В 1938 г. Барбара Мак-Клинток и Герман Мёллер обнаружили специфические структуры на концах хромосом, разрушение которых приводило к слиянию хромосом, возникновению генетических аномалий и их гибели. Эти структуры, защищающие естественные концы линейных хромосомных ДНК, Г. Мёллер предложил называть теломерами (от греч. телос – конец, мерос – часть). За работы в этой области Б. Мак-Клинтоку в 1983  г. присуждена Нобелевская премия.

Теломеры состоят из многократно повторяющихся коротких нуклеотидных последовательностей, соединенных с белками, также как и все другие части хромосом человека. Теломеры, с одной стороны, защищают хромосому от деградации, поддерживают целостность генома клетки, а с другой стороны, обеспечивают прикрепление хромосом к специальной внутриядерной структуре (скелету клеточного ядра), называемой ядерным матриксом. Тем самым они способствуют созданию архитектуры клеточного ядра. Кроме того белки, связанные с теломерами принимают участие в регуляции длины теломерной цепи и регуляции активности жизненно важных генов в других частях хромосом и участвуют в активации и репрессии (подавлении) транскрипции. Таким образом, изменение длины теломеров нарушает нормальные функции хромосом в целом.

Теломеры ДНК человека построены из повторяющихся наборов нуклеотидов TTАГГГ. Блок ТТАГГГ называется Г-богатой цепью (Г – гуаниловая кислота) и находится на 3´-конце, а комплементарный ему блок ААТЦЦЦ – Ц-богатой цепью (Ц – цитидиловая кислота) находится на 5´-конце цепи ДНК. Интересно, что наборы нуклеотидных остатков в блоках имеют универсальный характер для всех млекопитающих, птиц и рыб. Аналогично из последовательностей ТТАГГГ построены теломеры у всех растений, включая морские водоросли. Это обстоятельство связано с тем, что теломерные ДНК не содержат генов и не кодируют никаких белков, а у всех организмов выполняют одинаковые функции.

Важной характеристикой теломерных ДНК является их длина. У человека она колеблется от 2 до 20 тысяч пар нуклеотидов. Заметим, что структура концевых теломерных участков двухспиральных молекул ДНК не симметрична: с одной стороны молекулы ДНК имеют короткий однотяжевый (одноцепочечный) участок, заканчивающийся свободной 3´-гидроксильной группой, с другой стороны длины двух цепей ДНК одинаковы.