Жизнь без старости

В отличие от эубактерий и архей, хранящих генетическую информацию в виде кольцевых молекул ДНК, эукариотические организмы в процессе эволюции «предпочли» линейные хромосомы. Это породило сразу две серьезные проблемы: проблему защиты концов ДНК, которые в клетке воспринимаются как двуцепочечные разрывы, подлежащие репарации, и вышеупомянутую проблему укорочения ДНК в процессе репликации, возникающей из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого начала и нуждающейся в праймере для инициации процесса синтеза. Для решения этих проблем эволюция изобрела теломеры — расположенные на концах хромосом многочисленные тандемные повторы короткой высококонсервативной последовательности нуклеотидов (TTAGGG у человека и других позвоночных), а также комплекс связанных с ними белков. При рождении длина теломерных повторов у человека составляет 10–15 тысяч пар оснований; у лабораторных мышей и крыс теломеры заметно длиннее — 20-150 тысяч пар оснований [251].

Механизм борьбы с недорепликацией был открыт в середине 1980х годов, когда обнаружилось, что в клетках одноклеточного организма тетрахимены присутствует фермент, способный наращивать теломерные участки ДНК [109]. Этот фермент, названый впоследствии теломеразой, представляет собой РНК-белковый комплекс, обладающей обратной транскриптазной активностью: для синтеза теломерной ДНК он

использует в качестве матрицы связанную с ферментом молекулу РНК, последовательность которой соответствует таковой теломерных повторов [110]. Дальнейшие исследования показали, что ген теломеразы присутствует во всех изученных эукариотических организмах.

Практически в то же время появились и первые экспериментальные подтверждений гипотезы Оловникова об укорочении теломер в процессе старения. Оказалось, что длина теломер в сперматозоидах человека заметно превышает таковую в соматических клетках взрослого организма [61]. Ряд последовавших за этим открытием экспериментов подтвердил связанное с делением клеток уменьшение длины теломер в фибробластах, клетках крови, кишечника и ряда других тканей (см. обзор [9]). Эти результаты указывали на неспособность соматических клеток человека поддерживать в процессе деления длину теломер, в отличие от клеток зародышевой линии. Также подтвердил этот вывод и тот факт, что у человека экспрессия теломеразы и теломеразная активность наблюдается только в половых клетках, клетках эмбриональной ткани и стволовых клетках [7]. (Однако у некоторых животных, в том числе у мышей, крыс [48,267,64,108], кур [369] и лягушек [24] некоторая теломеразная активность наблюдается и в соматических клетках).

Решающее значение для доказательства роли теломеразы в обеспечении неограниченного репликативного потенциала сыграли эксперименты, в которых ген этого фермента был активирован в культуре соматических клеток человека [20,368]. Оказалось, что теломеразная активность позволяла клеткам в культуре преодолеть предел Хейфлика и продолжать делиться. Скорость укорочения теломер зависит от многих факторов, и клеточное деление — лишь один из них. Здесь следует отметить, что теломеры и при делении клетки обычно укорачиваются значительно сильнее, чем можно было бы предполагать исходя только из феномена недорепликации: за одно деление соматических клеток человека теломеры уменьшаются на 20-200 нуклеотидных пар [132].

Оказалось, что важной причиной укорочения теломер является стресс, прежде всего окислительный. ДНК теломер особенно подвержена повреждениям, т. к. комплекс связанных с теломерами белков предположительно мешает доступу ферментов репарации [371,145]. Для человека показана достоверная отрицательная корреляция между уровнем стресса и длиной теломер [88]. Также было установлено, что у людей регулярная физическая нагрузка коррелирует с более медленным укорочением теломер [174,247].

Сокращение длины теломер ниже определенного предела приводит к остановке клеточного деления. Происходит это, однако, не из-за постепенного «съедания» кодирующей области ДНК вследствие недорепликации. Минимальная длина теломер в клетках человеческого организма составляет около 500 пар оснований [7]. Показано также, что длина теломер, начиная с которой дальнейшее укорочение приводит к нестабильности генома, слиянию хромосом и иным аномалиям, составляет примерно 13 теломерных повторов (около 100 пар оснований) [42].

Механизм остановки клеточного деления при достижении определенной, минимальной длины теломер до конца не ясен, и включает много факторов, среди которых важнейшую роль играет «страж генома» — белок p53, а также белки p21, p16INK4A и pRb (рис. П-5.1) [306]. Все они являются ключевыми регуляторами клеточного ответа на разные виды стресса (в том числе на повреждение ДНК) и в защите от трансформации клетки в раковую.

Рис. II-5.1. Гипотетическая схема механизма остановки клеточного деления в ответ на укорочение теломер (адаптировано из M. Shawi, C. Autexier [306]).