Теломераза отсрочивает старение клетки

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.

Части головоломки: старение, рак и стволовые клетки

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.

==========================================================================

Теломеры и теломераза: роль в старении

В 1961 г. Хейфлик и Мурхед [ HayJlick ea 1961 ] представили данные о том, что даже в идеальных условиях культивирования фибробласты эмбриона человека способны делиться только ограниченное число раз (около 50). Было установлено, что при самом тщательном соблюдении всех мер предосторожности при пересевах клетки проходят in vitro ряд вполне морфологически различимых стадий (фаз), после чего их способность к пролиферации исчерпывается и в таком состоянии они способны находиться длительное время. В повторных опытах это наблюдение было многократно воспроизведено, последняя фаза жизни клеток в культуре была уподоблена клеточному старению , а сам феномен получил по имени автора название " предела Хейфлика ". Более того, оказалось, что с увеличением возраста донора число делений, которые были способны совершить клетки организма, существенно уменьшалось, из чего было сделано заключение о существовании гипотетического счетчика делений, ограничивающего общее их число [ Hayjlick ea 1998 ].

В 1971 г. Оловников [ Оловников ea 1971 ] на основании появившихся к тому времени данных о принципах синтеза ДНК в клетках предложил гипотезу маргинотомии , объясняющую механизм работы такого счетчика. По мнению автора гипотезы, при матричном синтезе полинуклеотидов ДНК-полимераза не в состоянии полностью воспроизвести линейную матрицу, реплика получается всегда короче в ее начальной части. Таким образом, при каждом делении клетки ее ДНК укорачивается, что ограничивает пролиферативный потенциал клеток и, очевидно, является тем "счетчиком" числа делений и, соответственно, продолжительности жизни клетки в культуре. В 19J2 г. Медведев [ Medvedev ea 1972 ] показал, что повторяющиеся копии функциональных генов могут запускать процесс старения или управлять им.

Открытие в 1985 г. теломеразы - фермента, который достраивал укороченную теломеру в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие [ Greider ea 1998 ], вдохнуло новую жизнь в гипотезу Оловникова. Было выполнено огромное количество работ [ Егоров ea 1997 , Оловников ea 1971 , Оловников ea 1999 , Faragher ea 1998 , Greider ea 1985 , Hayjlick ea 1998 , Olovnikov ea 1996 , Reddel ea 1998 , Weng ea 1997 , Zalensky ea 1997 ]. Установлены следующие основные факты:

1. Концы линейных хромосом с З'-конца ДНК заканчиваются повторяющимися последовательностями нуклеотидов, получившими название теломер, которые синтезируются специальным рибонуклеиновым ферментом теломеразой.

2. Соматические клетки эукариот, имеющие линейные хромосомы, лишены теломеразной активности. Их теломеры укорачиваются как в процессе онтогенеза и старения in vivo, так и при культивировании in vitro.

3. Половые клетки и клетки иммортализированных линий, а также опухолей имеют высокоактивную теломеразу, которая достраивает З'- конец ДНК, на котором реплицируется комплементарная цепь при делении.

4. Структуры теломер сильно различаются среди простейших, однако у всех позвоночных они одинаковы - (TTAGGG)n.

5. Имеются существенные межвидовые различия в длине теломер, причем у мыши общая их длина в несколько раз превышает таковую у человека (до 150 тыс. пар нуклеотидов у некоторых линий мышей и 7-15 т.п.н. у человека).

6. Репрессия теломеразы определяет клеточное старение в культуре ("лимит Хейфлика").

7. Клетки больных синдромом преждевременного старения Хатчинсона-Гилфорда и синдромом Дауна имеют укороченные теломеры.

Было показано, что при введении теломеразы клетки фибробластов человека, которые в норме делятся лишь 75-80 раз, способны поделиться 280 раз без каких-либо признаков старения и патологии. Тщательное исследование выявило, что в этих клетках нет таких признаков малигнизации , как нестабильность хромосом, независимый от добавления натуральной сыворотки рост, отсутствие контактного торможения и потеря контроля клеточного цикла [ Bodnar ea 1998 , Morales ea 1999 ]. Кроме того, что особенно важно, из этих клеток не развиваются опухоли при трансплантации бестимусным мышам [ Jiang ea 1999 ]. Полученные данные свидетельствуют о том, что экспрессия теломеразы в культуре клеток человека совсем не обязательно вызывает развитие рака, т.е. теломераза лишена свойств онкогена, которые ей приписывали. Видимо, основным свойством теломеразы является контроль клеточного деления, а для возникновения опухолевого роста необходимы дополнительные мутации и факторы.

Доказательства правомочности такого предположения были представлены Кионо и соавт. [ Kiyono ea 1998 ]: введение каталитического компонента теломеразы hTERT или теломеразной активности с помощью онкобелка вируса папилломы человека E7 в кератиноциты или клетки эпителия человека не приводило к их полной иммортализации. Она наступала лишь при дополнительном торможении регуляции антионкогена Rb или при угнетении экспрессии р16 в качестве второй важнейшей ступени этого процесса. При элиминации антионкогена р53 такого эффекта не наблюдалось. С другой стороны, протоонкоген с-Мус может активировать экспрессию теломеразы [ Wang ea 1998 ]. С помощью опосредованного микроклетками переноса маркированную геном пео хромосому 20 из стареющих и молодых диплоидных фибробластов человека ввели в молодые фибробласты. Во всех новообразованных клонах наблюдалось уменьшение пролиферативного потенциала на 17-18 удвоений популяции [ Егоров ea 1997 ]. Авторы склонны рассматривать полученные данные как свидетельство того, что отдельные теломеры способны ограничить пролиферативный потенциал клеток.

Показано, что старение некоторых тканей, например, эпителиальных клеток слизистой полости рта или роговицы глаза человека in vivo, не сопровождается укорочением теломер [ Egan ea 1998 , Kang ea 1998 ]. Экспрессия белка аденовируса 13 E1B 54К в нормальных клетках человека сопровождалась существенным увеличением их пролиферативного потенциала (до 100 удвоений). Когда затем деления все же прекратились и клетки перешли в фазу старения, то какого-либо существенного укорочения их теломер выявлено не было [ Gallimore ea 1997 ]. Экспрессию активности теломеразы наблюдали в печени крыс после частичной гепатэктомии [ Tsujiuchi ea 1998 ], т.е. в процессе регенерации. Не удалось наблюдать существенных изменений в продолжительности жизни или развитии мышей с "выключенным" геном теломеразы [ Lee ea 1998 ].

Многое в этой области еще предстоит выяснить. Тем не менее очевидно, что опыты с теломеразой открывают новые перспективы как в геронтологии, так и в онкологии для диагностики рака и, что особенно важно, для его лечения. См. Биология теломер

====================================================================

Демидовский лауреат Алексей Матвеевич Оловников Оловников Алексей Матвеевич, родился 10 октября 1936 года в Владивостоке, закончил ВГУ - специалист в области биологии старения и теоретической молекулярной и клеточной биологии. Кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института Биохимической физики РАН. Оловников Алексей Матвеевич- автор цикла теоретических 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 (концевых участков хромосом). А.М.Оловников сделал ряд ключевых теоретических обобщений, много лет спустя полностью экспериментально подтвержденных во многих лабораториях мира. Суть этих работ АМ Оловникова в следующем: 1) было указано на существование проблемы концевой недорепликации линейных молекул ДНК (концы как ахиллесова пята двойной спирали ДНК); 2) предсказано укорочение теломер (концов хромосом) при делениях соматических клеток, а также существование корреляции между величиной укорочения теломер и числом удвоений, выполненных делящимися нормальными эукариотическими клетками in vitro; 3) предсказано, что в нормальных половых клетках должна экспрессироваться новая форма ДНК-полимеразы, компенсирующая укорочение концов хромосом (то есть, предсказано существование теломеразы); 4) предсказано также, что в клетках злокачественных опухолей должна экспрессироваться эта компенсирующая ДНК-полимераза (то есть теломераза). Указано, что она создана природой для стабильности полового генома (предотвращает укорочение концов хромосом), но в то же самое время она наделяет раковые клетки потенциальным бессмертием (отсутствием у них лимита клеточных удвоений); 5) хорошо известный к тому времени факт кольцевой формы генома бактерий и многих вирусов был впервые интерпретирован как способ защиты их генома от концевой недорепликации ДНК: поскольку у кольцевой ДНК нет конца, то и нечему укорачиваться. В целом, в этом цикле пионерских работ АМ Оловникова, о которых сообщалось, помимо статей, также в трудах международного конгресса по геронтологии (Киев, 1972) и в лекциях (в том числе в США, 1998) предложена серия идей, которые позволили связать воедино серию до того разрозненных фактов и фактически предложить исследовательскую программу, стимулировавшую соответствующие исследования в ряде биологических и биомедицинских дисциплин. Следует также заметить, что поиски ингибиторов теломеразы как противораковых факторов, а также использование теломеразы в раковой диагностике, начались в связи с пониманием ключевой роли процесса концевой недорепликации концов ДНК в судьбе клетки, предсказанного А.М. Оловниковым. К настоящему времени начатое АМ Оловниковым новое научное направление – теломерная биология – развивается практически на всех континентах (кроме Антарктиды). Но, несмотря на экспериментально подтвержденные постулаты первой теории, АМ Оловников работает в настоящее время над принципиально новой теорией старения.