Отчего всемогущий творец наших тел Даровать нам бессмертия не захотел? Если мы совершенны, зачем умираем? Если несовершенны, то кто бракодел?
Около 100 лет тому назад в связи с развитием методов поддержания клеток in vitro со всей остротой встал вопрос о том. ограничен ли потенциал клеток многоклеточного организма. А. Каррель культивировал фибробласты сердца куриных эмбрионов в культуре в течение 34 лет, при этом клетки прошли тысячи делений без изменений их морфологического строения или скорости роста [165]. Эти опыты встретили серьезные возражения. В частности, указывалось, что несовершенство методов культивирования приводило к внесению свежих клеток в культуры при каждом их пересеве. С другой стороны, онкологам хорошо известны многочисленные штаммы перевиваемых in vivo и in vitro опухолевых штаммов и линий, которые поддерживаются в течение многих лет, иногда десятков лет. клетки которых являются практически бессмертными (им-мортализированными). Наряду с этими опытами, появились наблюдения о том. что к клеточных культурах все же не удается длительно поддерживать клетки, полученные из нормальных, не опухолевых тканей.
В 1961 г. L. Hayflick и P.S. Moorhead [221] представили данные о том, что даже в идеальных условиях культивирования фибробласты эмбриона человека способны делиться только ограниченное число раз (50+10). 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 способны находиться довольно 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 лимита Хейфлика. Более того, оказалось, что с увеличением возраста донора число делений, которые были способны совершить клетки организма, существенно уменьшалось что привело к представлению о существовании гипотетического счетчика делений, ограничивающего общее их число [220].
В 1971 г. А.М. Оловников [89] на основании появившихся к тому времени данных о принципах синтеза ДНК в клетках предложил гипотезу маргинотомии, объясняющую механизм работы такого счетчика. Этот механизм заключался, по мнению автора гипотезы, в том, что 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, подобно шагреневой коже, ограничивает пролиферативный потенциал клеток и, очевидно, является тем «счетчиком» числа делений и, соответственно, продолжительности жизни клетки в культуре (рис.1). В 1972 г. Ж. Медведев [258] показал, что повторяющиеся копии функциональных генов могут управлять или запускать процесс старения.
Рис. 1. Структура теломеры [338].
Открытие в 1985 г. теломеразы - фермента, который достраивал укороченную теломеразу в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие [213], вдохнуло новую жизнь в гипотезу А.М. Оловникова. Было выполнено огромное количество работ, в которых были установлены следующие основные факты [52, 90, 198, 212, 217, 220, 266, 271, 290, 338, 346].
1. Концы линейных хромосом с 3'-конца ДНК заканчиваются повторяющимися последовательностями нуклеотидов, получившими название теломер, которые синтезируются специальным рибонуклеиновым ферментом теломеразой.
2. Соматические клетки эукариотов. имеющие линейные хромосомы, лишены теломеразной активности. Их теломеры укорачиваются как в процессе онтогенеза и старения in vivo (рис. 2), так и при культивировании in vitro.
3. Половые клетки и клетки иммортализированных линий, а также опухолей имеют высокоактивную теломеразу, которая достраивает 3'-конец ДНК, на котором реплицируется комплементарная цель при делении.
4. Структуры теломер сильно различаются среди простейших, однако у всех позвоночных они одинаковы (TTAGGG)n.
5. Имеются существенные межвидовые различия в длине тело-мер, причем у мыши общая их длина в несколько раз превышает таковую у человека - до 150 т.п.н. (тысяч 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 тело-меры.
Рис. 2. Возрастные изменения длины теломер в лимфоцитах человека [338].
Недавно было установлено, что при введении гена теломеразы в легки фибробластов человека, которые в норме делятся лишь 75-80 раз, они способны поделиться 280 раз без каких-либо признаков старения и патологии. Тщательное исследование показало отсутствие в этих клетках таких признаков малигнизации, как нестабильность хромосом, независимый от добавления натуральной сыворотки рост, отсутствие контактного торможения и потеря контроля клеточного цикла [160, 264].
В другой работе также было показано, что иммортализованные теломеразой фибробласты, прошедшие, по крайней мере, в два раза больше удвоений, чем нормальные, не проявляют признаков злокачественного роста in vitro, но, что особенно важно, из них не развиваются опухоли при трансплантации бестимусным мышам [159, 229]. Полученные данные свидетельствуют о том, что экспрессия теломеразы в культуре клеток человека совсем не обязательно вызывает развитие рака, т. е. 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 недавно были представлены T. Kiyono и соавт. [237], которые показали, что введения каталитического компонента теломеразы hTERT или те-ломеразной активности с помощью онкобелка вируса папилломы человека Е7 в кератиноциты или клетки эпителия человека недостаточно для их полной иммортализации. Она наступает лишь при дополнительном торможении регуляции антионкогена Rb/pl6 или при угнетении экспрессии р16 в качестве второй важнейшей ступени этого процесса. Элиминация антионкогена р53 таким свойством не обладала. С другой стороны, протоонкоген с-Мус может активировать экспрессию теломеразы [333], а введение онкогена v-Ha-RAS дрожжам увеличивает продолжительность их жизни [169].
Важные данные получены в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН [см. 52]. С помощью опосредованного микроклетками переноса маркированную геном neo 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. 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 оболочки полости рта или роговицы глаза человека in vivo, не сопровождается укорочением теломер [191, 235]. Экспрессия белка аденовируса 12 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 [205]. Экспрессию активности теломеразы наблюдали в печени крыс после частичной гпатэктомии [325], т.е. в процессе регенерации. Не удалось наблюдать существенных изменений в продолжительности жизни или развитии мышей с «выключенным» (knockout) геном теломеразы [246]. Однако недавно было показано, что выключение гена теломеразы все же приводит к сокращению продолжительности жизни мышей, уменьшению устойчивости к стрессу и увеличению частоты развития новообразований [301]. Авторы отметили, что в остальном физиологические и биохимические параметры животных не свидетельствовали об ускорении у них старения.
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. также:
2.2.1. Роль соматических мутаций в старении
2.2.2. Метилирование ДНК и старение
2.2.3. Гликозилирование белков и ДНК
2.2.4. Репарация ДНК и старение
2.2.5. Изменения структуры и функции генов при старении
2.2.7. Апоптоз и продолжительность жизни
2.2.8. Свободнорадикальная теория старения
Обсудить на форуме
