3. Типы потенциально бессмертных клеток в живых организмах:

А) половые клетки;

Б) стволовые клетки животных и меристематические клетки растений;

В) раковые клетки.

4. Первая программа перехода потенциально бессмертных клеток к старению (есть у всех организмов – от бактерий до человека)

Например, потенциально бессмертная меристематическая стволовая клетка растения – при её делении образуются две дочерние клетки, внешне похожие друг на друга. Однако, это сходство – только внешнее! Одна из этих дочерних клеток, как и материнская, остаётся бессмертной, а вторая – стареет и, со временем, умирает.

Почему? В ходе деления материнской клетки в результате работы специальных белков – сиртуинов (у эукариот) – происходит избирательное накопление бракованных молекул в одной из дочерних клеток (причём, накапливаются как бракованные белки, липиды, углеводы, так и бракованные копии молекул ДНК – поскольку в одну из дочерних клеток предпочтительно передаются более новые копии ДНК, а следовательно – и имеющие большее количество ошибок при копировании!).

Таким образом, данная программа защищает потенциально бессмертные клетки от старения и смерти за счёт сбрасывания поломок в одну из дочерних клеток!

Во время деления бактериальной клетки в одну из дочерних бактерий сбрасываются бракованные молекулы и клеточные структуры, тогда как во вторую дочернюю клетку – попадают качественные молекулы и клеточные структуры. Это, с одной стороны, приводит к преждевременному старению и смерти первой бактериальной клетки, а с другой стороны - обеспечивает потенциальное бессмертие второй бактериальной клетки.

Одно из самых старых деревьев на земле – сосна, растущая в Калифорнии (США). Ей более 4000 лет. Потенциальное бессмертие стволовых клеток меристемы растений поддерживается благодаря механизму сортировки бракованных и качественных клеточных структур и макромолекул в разные дочерние клетки в процессе митоза.

5. Вторая программа перехода потенциально бессмертных клеток к старению (характерна только для теплокровных организмов как механизм защиты от рака)

У теплокровных животных (млекопитающих и птиц) появилась специальная программа старения клеток, которая защищает эти организмы от рака. Чем выше температура тела животного, тем больше вероятность теплового повреждения ДНК и появления опасных мутаций, ведущих к злокачественному перерождению клеток организма. У теплокровных животных появилась и эволюционно закрепилась (в ходе естественного отбора) клеточная программа, которая препятствует неограниченному делению клеток.

В чём состоит суть этой программы? На определённом этапе индивидуального развития теплокровного животного в его стволовых клетках включается вторая программа перехода к старению, в результате которой в стволовых клетках взрослого организма специально накапливаются особые повреждения ДНК, что и ускоряет переход старению у стволовых клеток.

Лимит Хейфлика. Леонард Хейфлик и Поль Мурхед в 1961 году показали, что в культуре in vitro (т.е. в жидкой питательной среде) здоровые стволовые клетки взрослого человека могут делиться не более 40 -60 раз (т.н. лимит Хейфлика). Затем, деление прекращается, т.е. клетки стареют и через некоторое время – умирают. При этом внешние факторы могут изменять лимит Хейфлика: например, карнозин – увеличивает число разрешённых делений! А неблагоприятные мутагенные условия окружающей среды – резко снижают число разрешённых делений!

NB: Раковые клетки в культуре in vitro могут делиться бесконечно долго! Таким же свойством обладают и эмбриональные стволовые клетки, и половые клетки взрослого человека!

Фибробласты человека на питательной среде. В 1961 г. Леонард Хейфлик и Поль Мурхед показали, что на питательных средах клетки человека могут делиться не боле 40 – 60 раз.

Леонард Хейфлик. 1988 г.

Причины лимита Хейфлика. Перед делением любой клетки – её ДНК удваивается с помощью фермента – ДНК-полимеразы. Этот фермент «пятиться назад», когда строит новую ДНК. У бактерий – ДНК кольцевая. Поэтому, у фермента ДНК-полимеразы всегда есть место для того, чтобы пятиться назад. А у эукариот – молекула ДНК линейная. И фермент не может скопировать концевые участки ДНК (т.к. ему не на чем сидеть во время работы!). А не скопированные кончики молекул ДНК воспринимаются клеточными защитными системами, как поломка ДНК, и отрезаются.

Поэтому, после каждого цикла деления эукариотической клетки, её ДНК укорачивается на несколько десятков нуклеотидов. После 40 -60 циклов деления, ДНК становится настолько короче, что клеточные системы, которые распознают повреждения ДНК – включают программу старения (т.е. блокируют дальнейшее деление клеток и изменяют их обмен веществ).

Механизм преодоления лимита Хейфлика. Эмбриональные стволовые клетки и половые клетки живых организмов имеют специальный фермент – теломеразу. Перед началом удвоения ДНК – теломераза подходит к концу ДНК и по своей РНК-матрице достраивает концевой участок ДНК бессмысленными повторами. Поэтому. При копировании ДНК теряется только этот бессмысленный участок, а смысловая ДНК не укорачивается.

В стволовых эмбриональных клетках теплокровных животных на определённом этапе онтогенеза ген теломеразы блокируется. Поэтому, они не могут делиться более 40 -60 раз (из-за укорочения концов хромосом). Раковые клетки могут обратно включать этот ген и, таким образом, приобретают бессмертие. Таким образом, теломеразный механизм старения предназначен для защиты организма теплокровных животных от рака!

На концах хромосом находятся участки – теломеры.

К белку – теломеразе присоединена РНК-матрица. Перед началом деления клетки работа теломеразы обеспечивает наращивание концевых участков хромосом (теломер) бессмысленными повторами, что защищает хромосомы от потери смысловых участков.

Механизм преодоления лимита Хейфлика был предсказан российским учёным Алексеем Матвеевичем Оловниковым в 1971 году и экспериментально подтверждён американскими учёными Элизабет Блекберн, Кэрол Грейдер и Джеком Шостаком (которые в 2009 году получили нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие теломеразы и причин старения организма).

Алексей Матвеевич Оловников в 1971 г. для объяснения причин лимита Хейфлика выдвинул теорию укорочения концов хромосом после каждого клеточного деления.

Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 год (слева направо): Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак. В 1998 г. американские учёные Кэрол Грейдер и Элизабет Блекберн подтвердили выводы А.М.Оловникова, экспериментально преодолев лимит Хейфлика за счёт активации работы теломеразы. В 2009 г. Кэрол Грейдер, Элизабет Блекберн и Джек Шостак получили Нобелевскую премию за открытие теломераз и объяснение причин старения организмов.