Фермент теломераза – потенциальный опухолевый маркер и мишень противоопухолевой терапии. глюкозамин сульфат. Сколько часов сна нужно теломерам

Пугач Оксана Александровна

студент 3 курса, кафедра медицинской химии НГМУ,
РФ, г. Новосибирск

Е- mail : oksana - pugach @ rambler . ru

Суменкова Дина Валерьевна

научный руководитель, д-р биол. наук, доцент, кафедра медицинской химии НГМУ,
РФ, г. Новосибирск

Теломераза – это специфическая ДНК полимераза, которая «наращивает» теломерные районы хромосом. Фермент содержит в своем строении белковую часть и молекулу РНК. Известно, что теломеры состоят из 15 тысяч нуклеотидных пар, которые представляют собой повторы двух триплетов ТТА (четыре повтора) и ГГЦ (8 повторов). Теломеры большинства соматических клеток подвергаются укорачиванию при пролиферации клеток вследствие неполной репликации концевых участков (концевой недорепликации). Активность теломеразы проявляется в стволовых клетках, кератиноцитах, клетках сперматогенного эпителия, а в нормальных дифференцированных соматических клетках и клетках тканей её активность отсутствует.

Оказывается, что в клетках большинства опухолей теломераза активна. Так, в клетках доброкачественной опухоли происходит повышение теломеразной активности на 20–30 %, а при злокачественном процессе её активность достигает 70–100 %. Если в нормальных соматических клетках существует генетически обусловленный механизм контроля пролиферации, то раковые же клетки обладают способностью обходить этот механизм. Так как они приобретают свойство иммортальности, которое связано с активацией фермента теломеразы, компенсирующей укорочение теломеров. Следовательно, мы можем сделать вывод, что активация теломеразы может быть важным фактором прогрессирования опухолевых заболеваний. В некоторых опухолях активность теломеразы проявляется почти в 100 % случаев, например мелкоклеточный рак легкого, рак шейки матки, доброкачественные поражения миндалевидной железы. В тоже время имеются опухоли, у которых теломеразная активность не определяется, например лейомиома (доброкачественная опухоль, возникающая в мышечном слои матки – миометрии) .

Экспрессия теломеразы может возникать вследствие какого-либо отбора клонов при критическом уровне укорочении теломер. Сначала клетки начинают быстро делиться, при этом у них начинает укорачиваться длина теломер, затем выживают только те, у которых теломераза остается активной. И в этом случае мы можем говорить о том, что активность теломеразы может быть маркером опухолевой прогрессии и нежелательного прогноза. Таким примером является лимфогранулематоз (злокачественное заболевание лимфоидной ткани), в котором основное увеличение теломеразной активности осуществляется при переходе от первой стадии ко второй .

Другим вариантом механизма появления теломеразной активности являются нарушения метаболизма клеток, происходящие в процессе возникновения опухолевых заболеваний. В таком случае активность теломеразы проявляется в начале заболевания и служит маркером для опухолевого заболевания. Так, при раке шейки матки, теломеразная активность и стадия рака не имеет никакой зависимости, так как активна теломераза уже на первой стадии, а её активация происходит в процессе предопухолевых заболеваний . При гемобластозах (опухолевые заболевания кроветворной и лимфатической ткани) теломераза изначально может быть активна в исследуемом типе клеток, а в дальнейшем её активность будет лишь нарастать при переходе к раку. Так, в случае нарушения регуляции стволовой клетки, обладающей теломеразной активностью, сохраняется большой запас пролиферативного потенциала, достаточного для приобретения различных злокачественных признаков. При этом теломеразная активность проявляется лишь вначале роста опухоли. Метод детекции активности фермента не позволяет обнаружить её на уровне одной клетки, но уже небольшой участок теломераза-положительных клеток будет заметен. Механизмы экспрессии теломеразы, как правило, изучают на клеточных линиях, поэтому сложно сказать какой из них и с какой частотой встречается в исследуемом типе опухолевых заболеваний .

Определение активности теломеразы используют для диагностики опухолевых заболеваний и для создания потенциальных противоопухолевых средств – ингибиторов теломеразы. Измерение теломеразной активности и её интерпретация затрудняется тем, что многие нормальные клетки крови и костного мозга обладают теломеразной активностью. Уровень активности теломеразы изменяется с возрастом, чем старше человек, тем она меньше. Стоит отметить, что метод измерения теломеразной активности с помощью полимеразной цепной реакции не вполне количественный. Он не дает возможности зафиксировать небольшие различия. Учитывая, что активность теломеразы клеток зависит от их пролиферативного состояния, в случае положительного результата мы не можем сказать – обусловлена она большим количеством клеток с малой активностью фермента или малым количеством клеток с большей активностью теломеразы. Кроме того, есть вероятность появления ложноположительных результатов .

В связи с трудностями измерения теломеразной активности, её определяют в сочетании с измерением длины теломер. Длину теломер измеряют как длину концевых рестрикционных фрагментов, проводят количественную гибридизацию или Саузерн-анализ (выявление определенной последовательности ДНК в материале). В последнее же время стали использовать методики количественной полимеразной цепной реакции в реальном времени или анализ гибридизации клеток. В настоящее время методы детекции активности фермента активно разрабатываются .

Пока не найдены препараты, способные с высокой эффективностью подавлять экспрессию генов теломеразы, но есть подходы, которые используют факт активной работы промоторов теломеразы в опухолевых клетках. До этапа клинических испытаний дошли конструкции в составе онколитического аденовируса, который инъецируется непосредственно в саму опухолевую клетку. Этот вирус содержит гены, увеличивающие чувствительность клеток к предложенной терапии. Так как данные гены регулируются промоторами генов теломеразы то, следовательно, их действие осуществляется только на клетке с работающей теломеразой .

Так как в большинстве опухолевых клеток присутствует теломераза, она может стать хорошим кандидатом на роль антигена, связанного с опухолью. При активности теломеразы в клетке фрагменты теломеразной обратной транскриптазы экспонируются на клеточной поверхности и могут служить мишенью для иммунного ответа. Преимущество данной процедуры заключается в отсутствии периода ожидания, как при других методах подавления теломеразы. Клинические испытания были проведены для опухолей простаты, рака поджелудочной железы и гепатоцеллюлярной карциномы. Данная иммунотерапия показывает усиление иммунного ответа против опухоли. Только неясно, насколько могут пострадать здоровые стволовые клетки, которые также обладают теломеразной активностью .

При использовании методов подавления теломеразной активности имеется ряд проблем: эффект наступает с большой задержкой, так как должно пройти большое количество времени, чтобы в отсутствии теломеразы теломеры укоротились за счет недорепликации. Это время может длиться десятки клеточных циклов. В этом случае ингибирование теломеразы будет давать эффект только при малом количестве клеток. Разрабатывая методы противоопухолевой терапии с использованием ингибиторов теломеразы, необходимо учитывать, что некоторые опухолевые клетки способны переходить в длительно неделящееся состояние и тем самым не подаваться действию большинства химиотерапевтических агентов.

Однако в ряде случаев, если лечение будет содержать традиционные методы, которые действуют немедленно и уничтожают большую часть опухолевых клеток, и антителомеразную терапию, не позволяющую раковым клеткам длительно размножаться, то результат в перспективе будет, несомненно, лучше.

Список литературы:

1. Глухов А.И., Григорьева Я.Е. Исследование активности теломеразы при разработке неинвазивной диагностики онкопатологий мочевого пузыря // Электронный научно-образовательный вестник «Здоровье и образование в XXI веке». – 2012. – Т. 14, – № 4. – С. 15–16.
2. Егоров Е.Е., Теломеры, теломераза, канцерогенез и мера здоровья // Клиническая онкогематология. Фундаментальные исследования и клиническая практика. – 2010. – Т. 3, – № 2. – С. 191–194.
3. Кушлинский Н.Е., Немцова М.В. Молекулярно-биологические характеристики злокачественных новообразований // Вестник РАМН. – 2014. – № 1. – С. 33–35.
4. Свинарева Л.В. Влияние модифицированных ДНК и РНК олигонуклеотидов, содержащих теломерные повторы, на активность теломеразы и рост опухолевых клеток: Автореф. дис. канд. хим. наук – Москва, 2010. – 9 с.
5. Скворцов Д.А., Рубцова М.П., Зверева М.Е. Регуляция теломеразы в онкогенезе // Acta Naturae (русскоязычная версия). – 2009. – С. 52–53.

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.

Вот пример «полезной» активации теломеразы. В отличие от большинства клеток, в Т-лимфоцитах здоровых людей активность теломеразы высокая, в то время как при иммунодефиците (в том числе при СПИДе) эта активность «теряется». В лимфоцитах тех редких ВИЧ-инфицированных людей, у которых болезнь не прогрессирует, активность теломеразы остаётся высокой.

Исходя из этого, учёные Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) попробовали искусственно увеличить активность теломеразы в клетках ВИЧ-инфицированных людей с помощью вещества под названием ТАТ2 . И в самом деле, теломераза «заставила» Т-лимфоциты CD8+ бороться против вируса. Исследователи рассчитывают, что будет разработан новый терапевтический подход, который можно будет применять в дополнение к стандартным притивовирусным препаратам при лечении не только СПИДа, но и других вирусных инфекций.

Однако Американская федерация исследований старения (The American Federation for Aging Research) отмечает, что про-раковый потенциал активаторов теломеразы ставит под сомнение их использование в качестве «лекарств против старости».

Получается, что можно замедлить старение и рано умереть от рака «молоденьким», а можно состариться с «нормальной» скоростью, но прожить долгую жизнь. Как и всё в нашей жизни, эту проблему рассматривал Пушкин: ворон одну падаль клюёт, да триста лет живёт, а орёл — свежее мясо, но живёт всего тридцать лет («Капитанской дочка»).

Похоже, что в недалёком будущем у обеспеченных пациентов появится возможность «омолаживаться» активаторами теломеразы. А если это приведет к раку — не беда, можно будет лечиться ингибиторами теломеразы, разработанными той же компанией.

Новости партнёров

Кандидат химических наук Мария Зверева, кандидат химических наук Мария Рубцова (МГУ им. М. В. Ломоносова, химический факультет).

В октябре 2009 года в Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине. Это американские учёные Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth H. Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) и Джек Шостак (Jack W. Szostak), удостоившиеся самой престижной научной награды дословно «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы». Попробуем разобраться, что такое теломеры и теломераза, почему и каким образом они защищают хромосомы?

Элизабет Блэкбёрн.

Кэрол Грейдер.

Джек Шостак.

Теломераза активна не во всех клеточных популяциях. Максимальная активность наблюдается в «вечно молодых» эмбриональных клетках. В стволовых клетках теломераза работает не в полную силу.

Теломеры: фунции и синтез.

ХРОМОСОМЫ НУЖДАЮТСЯ В ЗАЩИТЕ

Генетическая информация хранится в ядрах клеток в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая плотно упакована в линейные хромосомы. В середине 1970-х годов Джек Шостак в своей лаборатории в Медицинской школе Гарварда провёл эксперимент. Он добавил в дрожжевые клетки фрагменты чужеродных молекул ДНК и обнаружил, что они не могут долго оставаться в клетке в исходном виде и встраиваются в хромосомы. Так выяснилось, что обломки хромосом нестабильны: они постоянно обмениваются участками с другими хромосомами, перестраиваются, в их нуклеотидных цепочках образуются разрывы, в то время как сами хромосомы остаются в неизменном виде. К счастью, клетки обладают функцией репарации - в них имеется система молекулярной «починки» случайных разрывов в хромосомных цепочках.

Всё же оставалось неясным, почему ДНК в составе хромосом стабильна, а обломки без концевых последовательностей подвержены перестройкам. Исследования Пауля Германа Мюллера (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1946 года) и Барбары Мак-Клинток (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1983 года) в начале 1940-х годов показали, что концевые участки защищают хромосомы от перестроек и разрывов. Мюллер назвал эти особые участки теломерами - от двух греческих слов: telos - конец и meros - участок. Но что представляют собой эти участки и какую функцию они выполняют в клетке, учёные тогда ещё не знали.

ТЕЛОМЕРЫ СТАБИЛИЗИРУЮТ ХРОМОСОМЫ

В 1975 году Элизабет Блэкбёрн в лаборатории Джозефа Гала в Йельском университете, изучая внехромосомные молекулы ДНК инфузории, обнаружила, что концевые участки этих молекул содержат тандемные повторяющиеся последовательности, состоящие из шести нуклеотидов: на каждом конце таких повторов было от 20 до 70.

В дальнейших экспериментах Блэкбёрн и Шостак добавили в дрожжи молекулы ДНК с присоединёнными к ним повторами из инфузории и обнаружили, что молекулы ДНК стали стабильнее. В 1982 году в совместной публикации они предположили, что эти повторяющиеся последовательности нуклеотидов и есть теломеры.

Их догадка подтвердилась. Теперь уже точно известно, что теломеры состоят из повторяющихся нуклеотидных участков и набора специальных белков, особым образом организующих эти участки в пространстве. Теломерные повторы - весьма консервативные последовательности, например, повторы всех позвоночных состоят из шести нуклеотидов - TTAGGG, повторы всех насекомых из пяти - TTAGG, повторы большинства растений из семи - TTTAGGG. Благодаря наличию в теломерах устойчивых повторов клеточная система репарации не путает теломерный участок со случайным разрывом. Таким путём обеспечивается стабильность хромосом: конец одной хромосомы не может соединиться с разрывом другой.

ТЕЛОМЕРЫ ПОСТОЯННО УКОРАЧИВАЮТСЯ

Теломерные повторы не просто стабилизируют хромосомы, они выполняют ещё одну важную функцию. Как известно, воспроизведение генетического материала от поколения к поколению происходит за счёт удвоения молекул ДНК с помощью специального фермента (ДНК-полимеразы). Этот процесс называется репликацией. Проблему «концевой репликации» ещё в 1970-х годах независимо сформулировали Алексей Матвеевич Оловников и нобелевский лауреат Джеймс Уотсон. Она заключается в том, что ДНК-полимераза неспособна полностью скопировать концевые участки линейных молекул ДНК, она лишь наращивает уже имеющуюся полинуклеотидную нить.

Откуда же берётся начальный участок? Специальный фермент синтезирует небольшую РНК-«затравку». Её размер (<20 нуклеотидов) невелик по сравнению с размером всей цепи ДНК. Впоследствии РНК-«затравка» удаляется специальным ферментом, а образовавшаяся при этом брешь заделывается ДНК-полимеразой. Удаление крайних РНК-«затравок» приводит к тому, что «дочерние» молекулы ДНК оказываются короче «материнских». То есть теоретически при каждом цикле деления клеток должна происходить потеря генетической информации. Но так происходит далеко не во всех клеточных популяциях. Почему?

ТЕЛОМЕРАЗА НЕ ДАЁТ ТЕЛОМЕРАМ УКОРАЧИВАТЬСЯ

Чтобы клетки не растеряли при делении часть генетического материала, теломерные повторы обладают способностью восстанавливать свою длину. В этом и заключается суть процесса «концевой репликации». Но учёные не сразу поняли, каким образом наращиваются концевые последовательности. Было предложено несколько различных моделей. Российский учёный А. М. Оловников предположил существование специального фермента (теломеразы), наращивающего теломерные повторы и тем самым поддерживающего длину теломер постоянной.

В середине 1980-х годов в лабораторию Блэкбёрн пришла работать Кэрол Грейдер, и 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 теломер. Так блестяще подтвердилась догадка Оловникова и был открыт фермент теломераза. Кроме того, Грейдер и Блэкбёрн определили, что в состав теломеразы входят белковая молекула, которая, собственно, осуществляет синтез теломер, и молекула РНК, служащая матрицей для их синтеза.

БЕЗ ТЕЛОМЕРАЗЫ КЛЕТКА СТАРЕЕТ, А С ТЕЛОМЕРАЗОЙ - ПЕРЕРОЖДАЕТСЯ

Позднее в лаборатории Шостака обнаружили, что определённые мутации в некоторых генах дрожжей приводят к быстрому укорочению теломер после каждого цикла деления клеток, в результате чего хромосомы становятся нестабильными, а клетки переходят в состояние старения (сенессенса). Теперь мы знаем, что эти гены кодируют теломеразу. Полученные данные подтвердили ещё одну гипотезу А. М. Оловникова о том, что потеря длины теломерных повторов в каждом раунде репликации хромосом зависит от числа делений клетки.

Итак, теломераза решает проблему «концевой репликации»: синтезирует повторы и поддерживает длину теломер. В отсутствие теломеразы с каждым клеточным делением теломеры становятся короче и короче, и в какой-то момент теломерный комплекс разрушается, что служит сигналом к программируемой гибели клетки. То есть длина теломер определяет, какое количество делений клетка может совершить до своей естественной гибели.

На самом деле у разных клеток могут быть разные сроки жизни. В эмбриональных стволовых клеточных линиях теломераза очень активна, поэтому длина теломер поддерживается на постоянном уровне. Вот почему эмбриональные клетки - «вечно молодые» и способны к неограниченному размножению. В обычных стволовых клетках активность теломеразы ниже, поэтому укорачивание теломер скомпенсировано лишь отчасти. В соматических клетках теломераза вовсе не работает, поэтому теломеры укорачиваются с каждым клеточным циклом. Укорочение теломер приводит к достижению предела Хайфлика - к переходу клеток в состояние сенессенса. После этого наступает массовая клеточная смерть. Уцелевшие клетки перерождаются в раковые (как правило, в этом процессе задействована теломераза). Раковые клетки способны к неограниченному делению и поддержанию длины теломер.

Наличие теломеразной активности в тех соматических клетках, где она обычно не проявляется, может быть маркёром злокачественной опухоли и индикатором неблагоприятного прогноза. Так, если активность теломеразы появляется в самом начале лимфогранулематоза, то можно говорить об онкологии. При раке шейки матки теломераза активна уже на первой стадии.

Мутации в генах, кодирующих компоненты теломеразы или других белков, участвующих в поддержании длины теломер, являются причиной наследственной гипопластической анемии (нарушения кроветворения, связанные с истощением костного мозга) и врождённого Х-сцеплённого дискератоза (тяжёлое наследственное заболевание, сопровождающееся умственной отсталостью, глухотой, неправильным развитием слёзных каналов, дистрофией ногтей, различными дефектами кожи, развитием опухолей, нарушениями иммунитета и др.).

ЗАЧЕМ ИЗУЧАТЬ ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗУ

Сейчас многие учёные заняты поиском взаимосвязи между активностью теломеразы и старением. Тут необходимо осознать, что длина теломер может контролировать продолжительность жизни клеток, но не всего организма. Старение как биологическое явление - более сложный многофакторный процесс. Гораздо более важна взаимосвязь между активностью теломеразы и риском развития раковых заболеваний. Учёные ищут вещества, влияющие на активность теломеразы и на структуру теломер, с целью создания новых противоопухолевых лекарственных препаратов.

Вот мы и пришли к заключению, что «открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы» - это, безусловно, великое достижение современной науки, позволяющее понять, как генетическая информация передаётся от материнской клетки к дочерней без потерь, чем определяется продолжительность жизни клеток, а также некоторые особенности их злокачественного перерождения. Обретённые знания помогут в будущем создать лекарственные препараты, избавляющие людей от неизлечимых болезней. Это действительно выдающееся научное открытие. Но не стоит забывать о выдающихся гипотезах русского учёного А. М. Оловникова, которые подтвердились в работах нынешних нобелевских лауреатов.

Биологи экспериментально подтвердили способ, которым можно вернуть молодость всем тканям организма. Им удалось запустить работу фермента, который откручивает обратно часы клеточного времени и старения.

Преодолеть старение органов и тканей у мышей путем надстройки теломер в стволовых клетках удалось ученым из медицинского факультета Гарварда (Harvard Medical School, Бостон, США). Теломеры -- повторы коротких последовательностей нуклеотидов на концах хромосом -- рассматривают как маркер старения. При каждом делении клетки они укорачиваются из-за неспособности фермента ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого конца.Остается неудвоившийся конец, который не попадает в дочернюю клетку.

теломераза Фермент, надстраивающий теломеры при делении клетки. Это обратная транскриптаза, использующая матрицу РНК для синтеза последовательности ДНК, с помощью которой удлиняется теломера.

Теломеры могут надстраиваться до прежней длины при помощи специального фермента -- теломеразы, которая работает в стволовых и половых клетках. Теломераза привлекает большое внимание специалистов, занимающихся проблемами старения. Но использовать теломеразный механизм, чтобы повернуть вспять деградацию тканей, до сих пор еще не удавалось.

Стареющие мутанты

Роналд Депиньо (Ronald A. DePinho) и его команда работали на мутантных мышах. У них теломераза не работала даже в тех клетках, в которых должна -- в стволовых и половых. Выделенные из них фибробласты могли делиться не более четырех-пяти раз, после чего деградировали. А у самих мышей во вполне молодом возрасте появлялись признаки старения: деградировали семенники, селезенка, исчезла способность к размножению. В головном мозге затормозился нейрогенез: снизилось число нейральных стволовых клеток и их превращение в нейроны и глиальные клетки – олигодендроциты. А из-за недостатка последних длинные отростки нейронов – аксоны потеряли часть своих изоляционных миелиновых оболочек. В итоге мозг мутантов стал меньше и легче по сравнению с мозгом нормальных мышей. Кроме того, у мутантов нарушилось обоняние (как обычно происходит у старых животных), так как обонятельный эпителий деградировал.

Атрофия обратима

апоптоз Запрограммированная клеточная смерть. Форма гибели клетки, при которой она уменьшается в размерах, хроматин конденсируется и фрагментируется, мембрана уплотняется, и клеточное содержимое уничтожается без выхода в окружающую среду.

миелиновая оболочка Электроизолирующая оболочка, покрывающая аксоны многих нейронов. Ее образуют глиальные клетки, в центральной нервной системе - олигодендроциты. Они накручиваются на аксон, покрывая его множественными слоями мембраны. Изоляция намного увеличивает скорость проведения нервного импульса.

Эксперимент показывает, считают авторы, что стволовые клетки взрослого организма, находящиеся в дремлющем состоянии, можно вернуть к активной жизни и размножению, если активизировать восстановление теломер. В данном эксперименте моделью послужили мутантные мыши с неработающей теломеразой, но то же самое происходит и при возрастных изменениях в организме. Работа продемонстрировала принципиальную возможность омоложения тканей путем активизации теломеразы. Хотя на этом пути надо быть очень осторожными, так как теломераза активна в раковых клетках. В данном эксперименте ученые не столкнулись с раковым перерождением тканей, однако исключить такую возможность нельзя.