Теломеры и онкология. Активация теломеразы – самый перспективный подход к продлению молодости

12.04.2019

Детерминированность процесса клеточного старения предполагает наличие молекулярного механизма, позволяющего клетке " отсчитывать" число пройденных удвоений. ДНК является единственной макромолекулой, обладающей достаточной стабильностью, чтобы служить базой такого механизма. Основой функционирования "молекулярных часов" могут быть изменения ДНК, сопряженные с процессом ее репликации, такие как метилирование ДНК, либо потеря части ДНК в результате ее неполной репликации. В натоящее время роль "молекулярных часов" отводится теломерам линейных хромосом эукариотических клеток.

Хромосомы позвоночных оканчиваются последовательностью ТТАGGG, повторенной в теломерах сотни и тысячи раз ( Blackburn E.H., 1991). Считается, что функциями теломерного повтора является защита хромосом от деградации и предотвращение их слияния друг с другом ( Zakian V.A., 1989 ; Counter C.M. et al., 1992). Анализ длины теломерных повторов выявил, что соматические клетки теряют от 50 до 200 нуклеотидов при каждом клеточном делении ( Harley C.B. et al., 1990). Причиной этого явления является неполная репликация концов хромосом из-за особенностей молекулярного механизма репликативного синтеза ДНК ( Оловников А.М., 1971 ; Watson J.D., 1972). Отстающая цепь репликативной вилки в синтезе ДНК не может синтезироваться до 5"-конца в отсутствие рибопраймера, который, в свою очередь, не образуется непосредственно на концевом фрагменте. Потери концевой ДНК делают невозможной бесконечную пролиферацию. Предполагают, что укорачивание хромосом до определенного размера индуцирует процессы клеточного старения, а длина теломер, по этим представлениям, может служить мерой пролиферативного потенциала клеток ( Allsopp R.C. et al., 1992).

Предложено несколько гипотетических моделей, объясняющих каким образом клетка "определяет" длину своих теломер и в определенный момент запускает механизм блока пролиферации. Возможно, определяется общее количество ТТАGGG повторов благодаря учету специфически связывающегося с ними белка ( Kipling D. et al., 1992).

Другая модель исходит из того, что длинные теломеры молодых клеток находятся в области гетерохроматина. Предполагается, что ген, супрессирующий программу клеточного старения, локализован в субтеломерном районе. По мере укорачивания теломер область гетерохроматина включает в себя все больше субтеломерной ДНК. Включение в эту область гена-супрессора приводит к его инактивации и запуску механизма клеточного старения ( Wright W.E., Shay J.W., 1992).

В противоположность соматическим смертным клеткам, то есть клеткам, обладающим пределом размножения in vitro, большинство иммортальных клеток, обладающих способностью к бесконечной пролиферации, содержит теломеразу ( Kim N.W. et al., 1994).

Обнаружено, что в соматических клетках, делящихся в организме, длина теломер со временем уменьшается. Укорочение тепомер наблюдается также по мере старения фибробластов в культуре. Более того, оказалось, что длина теломер лучше предсказывает способность клетки к делению, чем возраст донора клеток. Предположительно, теломеры укорачиваются в результате того, что механизм, ответственный за удвоение ДНК в процессе клеточного деления, делает характерную ошибку - в каждой новой копии ДНК элиминируется маленький участок каждой теломеры ( Мойзис. Р.,1991) Из этого следует, что теломеры могут быть теми часами, которые определяют в клетках потерю способности к пролиферации. Интересно, что, по данным Харли и Грейдера, длина теломер сохраняется или даже немного увеличивается в сперматозоидах и в трансформированных ("бессмертных") клетках . Такое постоянство помогает объяснить, каким образом половые и злокачественные клетки не утрачивают способности к делению.

Можно, таким образом, выдвинуть предположение, что организм в целом угасает, когда его отдельные органы неизбежно утрачивают способность замещать поврежденные клетки. Однако, как отмечают скептики, люди ведь не умирают от того, что их фибробласты перестают удваиваться. Обычно у клеток остается неиспользованный запас потенциальных делений, когда их "владелец" погибает. В числе критических аргументов также заявляется, что изучение ослабления способности к пролиферации никак не проясняет процессы, приводящие к гибели неделящихся клеток, а именно нейронов и клеток сердечной мышцы, которые годами превосходно функционируют. Мало изучать процесс клеточной пролиферации, его возможности и пределы - надо еще показать, как получаемые результаты соотносятся со старением человека.

Генетические изменения, наблюдаемые в фибробластах, отражают, быть может, лишь один аспект процесса старения, но зато весьма важный.

Возможно, возникают локальные области, в которых клетки функционируют неправильно и не могут быть заменены. Например слой эндотелия кровеносных сосудов толщиной в одну клетку. Если клетки эндотелия на небольшом участке кровеносного сосуда теряют способность к пролиферации и утрачиваются или же не функционируют, это может привести к атеросклерозу. Кроме того, уменьшение способности к пролиферации составляет серьезную проблему в иммунной системе.

Как соотносятся результаты, полученные на фибробластах, с эволюционными гипотезами? Многие исследователи, считают, что ограничение пролиферации могло возникнуть не как "программа смерти", а как защитный механизм против рака . В таком случае потеря способности к клеточному делению является еще одним примером антагонистической плейотропии. Хотя многие люди в конце концов заболевают раком, человеку присуща сопротивляемость, обеспечивающая значительно меньшую подверженность опухолям по сравнению с животными.

Соматические клетки совершают ограниченное число делений в культуре и приходят в состояние необратимой остановки в фазах клеточного цикла G1 и G2/M, которое и называется старением (senescence) . Было высказано предположение, что укорочение теломер, связанное с проблемой концевой репликации , служит митотическими часами, работа которых в конце концов приводит к старению. Предложено несколько моделей для объяснения того, как укорочение теломер ведет к старению клетки. Мы ранее предположили, что укорочение теломер может в конце концов привести к формированию дицентрических хромосом, последующий разрыв которых активирует реакцию на повреждение ДНК, опосредованную белком р53. Поэтому мы предположили, что сигнал укорочения теломер воспринимается клеткой как повреждение ДНК.

Получены экспериментальные доказательства посттрансляционной активации белка р53 в фибробластах человека, в которых происходят укорочение теломер и последующее старение в культуре. В этой статье мы также показываем, что повышение активности белка р53 совпадает с формированием дицентрических хромосом и старением. Ранее мы также показали, что повышение уровня p21WAF1/SDll/CIP1 , т.е. иерархически одной из ближайших мишеней белка р53, зависит как от белка р53, так и от рЗОО . Мы также показали, что фибробласты, взятые у больных с атаксией-телангиэктазией , ускоренно теряют теломерную ДНК, активируют белок р53 и подвергаются преждевременному старению в культуре. Эти данные свидетельствуют о том, что ATM и р53 участвуют в мониторинге и регуляции теломерной ДНК. После достижения критической длины теломерной ДНК ATM и р53 воспринимают и передают этот сигнал в клеточный цикл, что ведет к старению.

1.2. КОРОТКИЕ ТЕЛОМЕРЫ И РАЗВИТИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

Существует множество доказательств того, что укорочение теломер ассоциировано с развитием рака и, возможно, является предрасполагающим фактором для развития ряда онкологических заболеваний. Примером тому служат врожденные заболевания, в основе которых лежит первичная дисфункция теломеразы и, в частности, врожденный дискератоз. Врожденный дискератоз был первым идентифицированным у человека генетическим заболеванием, причиной которого является нарушение системы поддержания длины теломер. Это заболевание характеризуется гиперпигментацией кожи, ороговением эпителия, дистрофией ногтей и прогрессивной апластической анемией. У пациентов с врожденным дискератозом в 1000 раз повышен риск развития рака языка и примерно в 200 раз - риск развития острой миелоидной лейкемии . При апластической анемии, не связанной с дискератозом, для пациентов с наиболее короткими теломерами (при отсутствии мутаций) риск злокачественной трансформации заболевания в миелодисплазию или лейкемию повышен в 4-5 раз.

Наряду с другими изменениями, лишенные теломер концевые участки хромосом выявляются в культурах клеток костного мозга пациентов за годы до появления клинических симптомов злокачественных заболеваний. Так короткие теломеры лейкоцитов являются прогностическим фактором развития рака при синдроме Беретта (метаплазия слизистой оболочки и стриктуры пищевода в результате пищеводного рефлюкса) и язвенном колите .

Сотрудники Инсбрукского медицинского университета наблюдали за 787 участниками итальянского проспективного исследования Bruneck с 1995 по 2005 год. Возраст добровольцев составлял от 40 до 79 лет. В начале исследования у них определили длину теломер в лейкоцитах капиллярной крови. На тот момент у всех участников признаков рака обнаружено не было. За годы исследования у 11,7% добровольцев появилось какое-либо злокачественное новообразование. Рак кожи, кроме меланомы, не учитывался. Средняя длина теломер у пациентов с раком оказалась значительно меньше, чем у остальных участников исследования. После введения поправки на другие факторы риска оказалось, что по сравнению с теми, у кого длина теломер максимальна, добровольцы с самыми короткими теломерами в 3 раза больше рискуют заболеть раком и в 11 раз больше - умереть от него в 10-летний период. У участников исследования со средней длиной теломер риск рака оказался вдвое выше, чем у участников с наиболее длинными теломерами. При этом более короткие теломеры были чаще связаны с наиболее злокачественными опухолями, такими как рак желудка, легких и яичников . В чем же состоит взаимосвязь между существованием коротких теломер в клетке и развитием рака?

1.3. ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ И АПОПТОЗА

Одна из основных функций теломер - это защита генетической информации хромосом при делении клеток. Критически короткие теломеры неспособны защитить хромосомы от повреж¬дения при митозе (деление клетки). Их появление является сигналом для выхода клеток из митотического цикла. Критическим укорочением теломеры считается величина 3000-5000 пар нуклеотидов или менее 2 кb. Если этой величины достигает хотя бы одна теломера, то в клетке происходит резкое изменение метаболизма, и в первую очередь нарушение репликации ДНК, которые запускают механизмы клеточного сенесенса (репликативное старение) и апоптоза (гибель, разрушение клетки). Исключением из этого правила являются так называемые «иммортальные» (бессмертные) клетки, к которым относятся половые клетки, стволовые тотипотентные (способные дифференцироваться в любые клетки организма) клетки, а также клетки злокачественных опухолей, способные делиться неограниченное число раз.

В нормальной соматической клетке процесс сенесенса клетки в конечном итоге должен закончиться апоптозом - апофеозом или самоубийством нежизнеспособной клетки. Это генетически запрограммированный процесс, основные моменты которого упрощенно можно представить так: отсутствие теломеры на конце хромосомы останавливает митоз в точках G1 и G2. Остановка митоза в клетках, достигших лимита Хейфлика, по принципу обратной связи вызывает активацию гена р53, ответственного за выработку белка р53, индуцирующего апоптоз. В результате стареющая клетка прекращает свое существование. Старение и апоптоз- два взаимосвязанных процесса, которые служат для человека мощным барьером на пути развития рака. Однако апоптоз может происходить в стареющих клетках не сразу. Период от критического укорочения теломер до гибели клетки может длиться в течение нескольких месяцев и даже лет. Сравнительно небольшая длина теломер у большинства раковых клеток наводит на мысль о том, что они происходят из клеток, достигших предкризисного состояния. Уже известно, что в подавляющем большинстве случаев раковое перерождение происходит тогда, когда клетка не переходит в стадию репликативного старения или в клетке происходит нарушение течения самой стадии репликативного старения.

Профессор Ян Карлседер, и его команда из Инсбрукской лаборатории молекулярной и клеточной биологии считают, что: «Цепь, контролирующая остановку роста в G1-фазе, обычно изменена в раковых клетках, позволяя им делиться, несмотря на укороченные теломеры, что может привести к нестабильности генома, наблюдаемой в злокачественных клетках» . Специалисты Института биологических исследований Дж. Солка в Ла-Ойе (Сан-Диего, США) исследовали молекулярный механизм активации гена р53, который обычно защищает генетический материал клетки и подавляет опухоли, как ключевой фактор при реакции на снятие защиты теломер. Когда клетки теряют функцию p53, гена в центре цепи ДНК, нарушается механизм остановки роста клеток в фазе G1, важном моменте в клеточном цикле для ремонта повреждений ДНК или, если повреждение не может быть восстановлено, ген программирует клетки на уничтожение. Чаще всего, p53 исчезает в раковых клетках из-за мутации гена или деактивации функции белка p53 через инфекции от вызывающих рак вирусов. Клетки без функционального р53 способны делиться с незащищёнными теломерами, несмотря на чрезмерное укорачивание теломер, вплоть до их полного исчезновения, что вызывает нестабильность генома. При нестабильности генома высока вероятность возникновения спонтанных хромосомных аберраций, начиная от количественных изменений и заканчивая структурными аномалиями: транслокациями, инсерциями, делециями и ассоциированными с теломерами концевыми слияниями хромосом. Концевые слияния хромосом происходят за счет того, что сверхкороткие теломеры воспринимаются клеткой, как разрывы хромосом. Такие разрывы “чинятся” путем их соединения, т.е. происходят теломерные слияния. В результате образуются хромосомы, имеющие по две центромеры. При прохождении через митоз дицентрик, с большой вероятностью, образует хромосомный мост, который разрешается случайным разрывом хромосомы. Образуются две клетки: одна с нехваткой генов, другая с лишними копиями и с хромосомным разрывом. Клетка с нехваткой генов обычно погибает, а с лишними копиями и хромосомным разрывом продолжает размножаться. Последовательность событий “слияние-мост- разрыв” многократно повторяется, генерируя на каждом этапе новый генотип, состоящий из базового набора генов и некоторого меняющегося довеска. На каком-то этапе хромосомный разрыв может “залечиться” и превратиться в теломеру. Процесс “слияние-мост-разрыв” приводит к многократному увеличению скорости изменчивости клеток и появлению «дефектных» клеток.

Однако не всякая дефектная клетка сразу становится злокачественной. Раковое перерождение клетки в большинстве случаев многоступенчатый процесс, затрагивающий многочисленные хромосомные перестройки. В клетках опухолей человека подчас находят более 10 мутаций.

Необходимо отметить, что большинство дефектных клеток, в конце концов, погибают от апотоза или уничтожаются клетками иммунной системы. В противном случае была бы слишком высока вероятность того, что все человечество погибло бы от рака. Апоптоз охарактеризовал себя как отличный подавитель роста раковых клеток. Однако у части злокачественных клеток в результате случайных мутаций может активироваться постоянная экспрессия генов теломеразы, которая поддерживает длину теломер на уровне, необходимом и достаточном для их функционирования. Это характерный путь для быстрой пролиферации 85% злокачественных опухолей.

1.4. СТРУКТУРА ТЕЛОМЕРАЗЫ

Структура теломеразы еще не полностью изучена. Дело в том, что содержание фермента в клетке чрезвычайно низкое, имеются большие трудности получения ее компонентов в растворимой форме и в достаточном количестве и др. Но уже точно известны два основных компонента, составляющие коровый комплекс (сердце) теломеразы: это теломеразная обратная транскриптаза - TERT(наиболее важный домен-hTERT каталитическая субъединица) и TER- специальная теломеразная РНК. Предположительно, теломераза содержит и другие структурные комплексы, которые помогают ей работать в клетке: субъединица, отвечающая за поиск и связывание 3’-конца хромосомы (якорная функция), субъединица, ответственная за транслокацию, субъединицы, связывающие продукт реакции (однотяжевую ДНК), белковая субъединица с нуклеазной активностью, которая, по-видимому, отщепляет от 3’-конца теломерной ДНК один за другим несколько нуклеотидов до тех пор, пока на этом конце не окажется последовательность, комплементарная нужному участку матричного сегмента теломеразной РНК и др.

1.5. ФУНКЦИИ ТЕЛОМЕРАЗЫ

Основная и наиболее изученная функция теломеразы - наращивание теломерных районов хромосом, и в частности, 3’-конца хромосомной ДНК. Последние работы показали, что коровый комплекс теломеразы может влиять на рост клеток, их фенотип, независимо от эффекта на длину теломер. Нобелевский лауреат 2009 года Элизабет Блэкберн предложила следующее объяснение наблюдаемым явлениям: теломераза, помимо удлинения концов теломер, проявляет защитные функции на теломере . К настоящему времени появилось уже довольно много работ, свидетельствующих о том, что не столько укорочение теломер приводит к сенессенсу, сколько нарушение их структуры. Тем самым теломераза, не только препятствует укорочению теломер, но и защищает их структуру. Интересен тот факт, что отдельные структурные элементы теломеразы имеют свое функциональное предназначение в клетке. Оказалось, что непосредственно TERT участвует в транскрипции генов «Wnt-?-catenin» сигнального пути, который стимулирует пролиферацию эмбриональных и стволовых клеток. Такая функция TERT представляет собой, по сути, координацию аппарата поддержания теломер в делящихся клетках с помощью теломеразы с экспрессией генов, необходимых для пролиферации.

1.6. АКТИВНОСТЬ ТЕЛОМЕРАЗЫ В НОРМАЛЬНЫХ И ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ КЛЕТКАХ

Все клетки человека в раннем эмбриогенезе обладают теломеразной активностью, которая по мере развития организма выключается во все большей доле клеток. К моменту рождения в подавляющем большинстве клеток человеческого организма происходит очень надежная репрессия теломеразы за счет подавления экспрессии гена ее каталитической субъединицы (обратной транскриптазы). Исключением являются клетки организма, которым суждено много пролиферировать Они сохраняют ограниченную, временно индуцируемую теломеразную активность. Наличие небольшой теломеразной активности дает возможность пролиферирующим клеткам с течением времени не подвергаться большой изменчивости. У здорового человека активность этого фермента можно выявить на сравнительно низком, но детектируемом уровне в стволовых, половых клетках, в слизистых клетках кишечника, в лимфоцитах периферической крови (ПК) и тимуса (Osterhage J.L., 2009). Установлено, что экспрессия теломеразы в лимфоцитах строго контролируется в течение их развития, дифференцировки и активации . Предполагается, что активность теломеразы усиливается на короткий срок в период интенсивной пролиферации (например, после встречи предшественника В-лимфоцита с антигеном). В результате стимуляции зрелые лимфоциты становятся способны экспрессировать теломеразу на довольно высоком уровне, причем после любой повторной стимуляции экспрессия теломеразы возрастает, но ее уровень уже не достигает уровня ответа на первичный стимул . Ферментативная активность теломеразы возрастает в основном за счет фосфорилирования TERT, вызывающего изменение локализации белка в клетке.

Несмотря на репрессию hTERT, другие составляющие теломеразы, включая теломеразную РНК, образуются в соматических клетках, хотя и в меньших количествах, чем в их “бессмертных” прародителях, но постоянно (или, как говорят, конститутивно). Открытие этого важного факта Дж. Шеем, В. Райтом и их сотрудниками и стало основой для сенсационной работы по преодолению “лимита Хейфлика”. В нормальные соматические клетки были внесены гены теломеразной обратной транскриптазы с помощью специальных векторов, сконструированных из вирусных ДНК. В практике клеточных технологий принято влиять на экспрессию генов через геномы вирусов, с определенными участками ДНК, которые внедряются в клетку-хозяина и быстро там размножаются. Результаты их экспериментов можно суммировать кратко: клетки, в которых теломераза поддерживала длину теломер на уровне, характерном для молодых клеток, продолжали делиться тогда, как контрольные клетки (без теломеразы) дряхлели и умирали.

Известно, что клетки большинства исследованных на сегодня раковых опухолей характеризуются достаточно высокой активностью теломеразы, которая поддерживает длину теломер на постоянном уровне. Этот уровень заметно ниже, чем, например, у эмбриональных клеток, но он достаточен, чтобы обеспечить опухолевым клеткам возможность безграничной пролиферации, что в свою очередь предоставляет им время и, соответственно, возможность изменяться, выживать и захватывать новые ниши в организме. Если бы в процессе канцерогенеза не происходило активации теломеразы, то клетки, в большинстве случаев, не смогли бы дожить до злокачественных стадий, и не было бы абсолютного большинства раковых опухолей. К, сожалению, на сегодняшний день нет объяснения тому факту, что при различных формах рака теломераза может активироваться как на ранних, так и на поздних стадиях. Так, при миелолекозе активность теломеразы определяется на ранних стадиях, а при раке почки или менингеоме активация теломеразы происходит уже в клетках сформировавшейся опухоли.

Существует гипотеза, у которой немало сторонников, предполагающая, что потеря теломеразной активности соматическими клетками современных организмов есть благоприобретенное в процессе эволюции свойство, уберегающее их от злокачественного перерождения. Но этот механизм, по-видимому, не единственный. Было установлено, что в 15% всех опухолей, злокачественные клетки поддерживают длину теломер на должном уровне в отсутствии теломеразы. Таким образом, в этих злокачественных клетках действует другой (не теломеразный, а скорее рекомбинантный) ALT механизм «альтернативного удлинения теломер», (аббревиатура от «Alternative Lengthening of Telomeres»). Во всех ALT- индуцированных опухолях высоко содержание APB - ALT-ассоциированных ядерных белков. APB-структуры хорошо видны при флуоресцентной микроскопии клеток, что использовалось для идентификации ALT- опухолей (так как, у нормальных клеток эти структуры отсутствуют). Инн Чанг и Карстен Риппе из Онкологического центра Германии в ходе совместного исследования с Генрихом Леонардом из Мюнхенского университета Людвига- Максимилиана применили новый подход к изучению APB. Им удалось искусственно создать APB-белки в живых клетках, «привязав» к теломерам белки промиелоцитарной лейкемии (promyeloeytie leukaemia) - PML. Таким образом, ученым удалось впервые доказать, что APB удлиняют теломеры, тем самым продлевая жизнь раковых клеток без теломеразы .

Однако сама по себе активация теломеразы в нормальных клетках не приводит к раковому перерождению.

В опытах Дж. Шеея, В. Райта (1998), Bodnar (1997), White (2000), Hannon et al. (1999; 2000), Franzese et al. (2001), and Yudoh et al. (2001) активность теломеразы обычно увеличивалась благодаря сверхэкспрессии hTRT или экспрессии белков, которые являются промежуточными компонентами теломеразы . Их результаты не выявили каких-либо нарушений в регуляции размножения или озлокачествления теломеризованых клеток. Более того, в последнее время появились данные о том, что, просто активации теломеразы недостаточно для иммортализации разных клонов клеток. В работах профессора Кионо с соавторами, 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 определенных онкогенов. Причем, для разных типов клеток требуется, по-видимому, инактивация разных супрессоров [ Wynford-Thomas, et all. 1997 ]. Так, в человеческих кератиноцитах и эпителиоцитах молочной железы иммортализация наблюдается при трансдукции TERT и одновременной инактивации белков либо pRb , либо p16INK4a , тогда как элиминация р53 или p19ARF не вызывает такого эффекта [ Kiyono, et all. 1998]

Эти научные факты еще раз подчеркивают, что экзогенная стимуляция активности теломеразы не вызывает в нормальных клетках ракового перерождения, и что особенно важно изолированная экспрессия гена теломеразы не ведет к иммортализации раковых клеток.

1.7. ИНГИБИРОВАНИЕ ТЕЛОМЕРАЗЫ КАК МЕТОД БОРЬБЫ С РАКОМ

Выше уже говорилось о том, что активность теломеразы повышена во многих злокачественных клетках и клеточных линиях. Это позволило искать пути борьбы с раковыми клетками через ингибирование теломеразы. Пока большинство работ связано с испытанием ингибиторов обратных транскриптаз (каталитических субъединиц теломераз). Однако проведенные исследования по эффективности и безопасности данного класса препаратов неоднозначны. По мнению профессора Егорова Е.Е., антираковая терапия с помощью подавления теломеразы является малоэффективной, потому, что в большинстве случаев, реактивация теломеразы при канцерогенезе происходит в процессе выхода клеток из состояния кризиса, когда наблюдается многократное повышение генетической изменчивости. Поскольку эти клетки попали в состояние кризиса, то в них разрушены или нейтрализованы механизмы репликативного старения. Поэтому подавление теломеразы в опухолевых клетках человека возвращает их в состояние кризиса, но не вызывает репликативного старения и следующего за ним апоптоза. А это значит, что снова будет происходить чрезмерное увеличение генетической нестабильности. В отличие от кризиса в процессе становления опухоли, этот кризис будет захватывать существенно большее число клеток. Эффект после подавления теломеразы наступает с задержкой, необходимой для укорачивания теломер вследствие недорепликации. Время этой задержки составляет десятки удвоений популяции, что равноценно десяткам дней. Поэтому, несмотря на то, что большинство клеток все же будет погибать, довольно быстро возникнут клетки, устойчивые к предложенной терапии. Кроме того, проблема данного класса препаратов состоит в их выраженной токсичности для нормальных клеток. И потому более перспективными являются работы, в которых описано избирательное подавление теломеразной РНК, так как действие искомого ингибитора должно быть направлено именно на теломеразную ДНК-синтезирующую активность .

Несомненно, что изучение путей ингибирования теломеразы актуально для снижения смертности от рака, однако изучение путей активации теломеразы представляется не менее важным направлением для профилактики рака, особенно у лиц пожилого возраста.

2. АКТИВАТОР ТЕЛОМЕРАЗЫ ТА-65 И КАНЦЕРОГЕНЕЗ

В процессе старения человека происходит гибель клеток организма, которая не может быть восполнена регенерацией. Со временем потеря клеток приводит к ослаблению функций органов и тканей, уменьшению их надежности, развитию болезней, связанных со старением, и в итоге к гибели организма. По данным Американского общества рака, 78% всех случаев рака диагностируют у лиц старше пятидесяти семи лет. Риск возникновения рака возникает тогда, когда более выражены признаки клеточного старения, что наиболее характерно для пожилых людей. Современный образ жизни, стресс, злоупотребление лекарствами приводят к недостатку отдельных теломеразных компонентов, и к более раннему фенотипическому старению с потерей функции на клеточном и системном уровне. Этот факт заставил исследователей искать пути продления жизни клетки через активацию теломеразы.

На сегодняшний день единственным биологическим комплексом с доказанным эффектом снижения процента критически коротких теломер в клетке, является ТА-65. Его действие направлено на индукцию активности теломеразы, которая способствует добавлению теломерных повторов, прежде всего, к коротким теломерам, тем самым омолаживая стареющие клетки и наделяя их способностью пролиферировать.

Потенциальный терапевтический эффект ТА-65 направлен на увеличение активности теломеразы, прежде всего, в стволовых клетках, клетках костного мозга, стромальных клетках костного мозга, молодых фибробластах кожи, предшественниках инсулоцитов, нейросферических клетках, адренокортикальных клетках, мышечных, остеопластических, ретинальных пигментированных эпителиалиальных клетках, клетках иммунной системы, включая клетки лимфоидного, миелоидного и эритроидного ростков, таких как В- и Т- лимфоциты, моноциты, циркулирующие и специализированные тканевые макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы, базофилы, NK-клетки и их соответствующие предшественники. В этой связи основными показаниями для использования ТА-65 могут быть: обусловленные стрессом и возрастом нарушения иммунной системы, включая нарушение обновления тканей, которое происходит при естественном старении, раке, лечении рака, острых или хронических инфекциях или при генетических нарушениях, вызывающих ускоренную гибель клеток, апластических анемиях и других дегенеративных заболеваниях. Использование ТА-65 для профилактики рака выглядит на первый взгляд парадоксально. Каким же образом, активация теломеразы может предотвратить раковое перерождение клеток. Это происходит, во-первых, потому что за счет омоложения снижается вероятность хромосомных перестроек в клетках, а во-вторых, потому что теломераза может увеличить продолжительность жизни иммунных клеток, улучшив их способность находить и уничтожать раковые клетки. Ранее уже указывалось, что активация теломеразы «генетическим способом» в нормальных клетках приводит к их омоложению без признаков озлокачествления. Научная работа исследователей из Испанского Национального центра по изучению рака продемонстрировала, что TA-65 обладает подобным действием у мышей. В результате исследования были доказаны эффекты ТА-65 по удлинению коротких теломер, и улучшению здоровья старых мышей, включая состояния толерантности к глюкозе, остеопороза и дряблости кожи, без увеличения заболеваемости раком. Еще одно исследование на людях, известное под названием «Протокол Патона» показало, что у пациентов, использующих ТА-65 в течение года, как составляющий компонент программы омоложения не выявило не одного нового случая рака.

В одной из научных работ профессора иммунологии калифорнийского университета, занимающегося проблемами старения и ВИЧ-инфекции Риты Эфрос с соавторами проводилось исследование влияния молекулы ТАТ-2 на функции Т- и В-лимфоцитов. ТАТ-2 по химической структуре представляет собой циклоастрогенол. Аналогичная молекула входит в состав ТА-65. Исследование позволило сделать следующее заключение о безопасности ТАТ-2: «Во всех проведенных на сегодняшний день исследованиях в естественных условиях, не было получено никаких доказательств, что TAT2 способствовало потере контроля роста и преобразования. Например, TAT2 не приводит к какому-либо значительному увеличению конститутивной активности теломеразы в линии Jurkat Т клеток опухоли Supplemental. Кроме того, хроническое воздействие TAT2 не изменяет скорость EBV трансформации нормальных В-лимфоцитов в культуре клеток Важно отметить, что наблюдаемые эффекты регулирования теломеразы являются краткосрочными и обратимым. Удаление TAT2 из клеток возвращает уровни теломеразы к исходным в течение нескольких дней без каких-либо последствий для жизнеспособности клеток.»

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все вышесказанное можно обобщить в следующих выводах:

1. Существует тесная взаимосвязь между существованием коротких теломер в клетке и развитием опухолевого процесса. Свидетельствами тому служат заболевания, при которых отмечаются короткие теломеры: врожденный дискератоз, апластическая анемия, синдром Баретта др.

2. Наличие критически коротких теломер в клетке - признак ее старения и нестабильности. В этот период велика возможность перехода клетки в кризисное состояние, при котором высок риск возникновения хромосомных мутаций, приводящих к развитию рака.

3. Теломераза препятствует укорочению теломер, защищает их структуру. Недостаток теломеразы в активно пролиферирующих клетках (стволовых клетках, клетках костного мозга, стромальных клетках костного мозга, молодых фибробластах кожи, предшественниках инсулоцитов, нейросферических клетках, адренокортикальных клетках, мышечных, остеопластических, ретинальных пигментированных эпителиалиальных клетках, клетках иммунной системы, включая клетки лимфоидного, миелоидного и эритроидного ростков, таких как В- и Т- лимфоциты, моноциты, циркулирующие и специализированные тканевые макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы, базофилы) ведет к нарушению их функционирования и к быстрому старению.

4. Малигнизация клетки - сложный многоступенчатый процесс, при котором происходят множественные мутации генетического материала клетки.

5. Для иммортализации злокачественного клона не достаточно экспрессии (активации) гена теломеразы, необходимо еще «отключение» определенных сигнальных механизмов, которые предохраняют клетку от перерождения.

6. Сама по себе теломераза не является онкогеном. Изолированная активация теломеразы за счет генетических манипуляций с геном теломеразы, а также за счет фармакологической стимуляции ТА-65 не приводит к малигнизации клетки. Этот факт доказан множеством научных и экспериментальных работ.

7. ТА-65 способствует профилактике ракового перерождения за счет щадящей активации теломеразы и снижения процента коротких теломер. При этом снижается вероятность хромосомных перестроек в клетках, увеличивается продолжительность жизни иммунных клеток, улучшается их способность находить и уничтожать раковые клетки.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Blackburn, E.H. (2005) FEBS Lett.,579, 859-862.
Билибин Д.П роль апоптоза в патологии. Москва 2003
Bodnar, A.G. et al., «Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells», Science279 (5349): 349-52 (Jan. 16, 1998);
Chung, I., Leonhardt, H., and Rippe, K. De novo assembly of a PML nuclear subcompartment occurs via multiple pathways and induces telomere elongation. Journal of Cell Science 124, 2011 3603-3618
Chiu, C.P. et al., «Replicative senescence and cell immortality: the role of telomeres and telomerase» Proc.Soc. Exp. Biol. Med. 214 (2): 99-106 (Feb. 1997);
Егоров Е.Е. Роль теломер и теломеразы в процессах клеточного старения и канцерогенеза.\автореферат докторской диссертации. Москва 2003 с300
Fujimoto, R. et al., «Expression of telomerase components in oral keratinocytes and squamous cell carcinomas»,Oral Oncology 37 (2): 132-40 (Feb. 2001);
Harle-Bachor, C. et al., «Telomerase activity in the regenerative basal layer of the epidermis inhuman skin and inimmortal and carcinoma-derived skin keratinocytes», Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 (13): 6476-81 (Jun. 25, 1996);
Harley, C.B. et al., «Telomeres shorten during ageing of human fi broblasts», Nature 345 (6274): 458-60 (May 31, 1990);
Harley, C.B. et al., «Telomerase, cell immortality, and cancer», Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 59:307-15 (1994);
Harley, C.B. et al., «Telomeres and telomerase in aging and cancer», Curr. Opin. Genet. Dev. 5 (2): 249-55 (Apr. 1995);
Harley, C.B. et al., «Telomerase and cancer», Inzportarzt. Adv. Oncol. 57-67 (1996);
Harley, C.B., «Telomerase is not an oncogene», Oncogene 21: 494-502 (2002);
Hannon, G.J. and Beach, D.H., «Increasing proliferative capacity and preventing replicative senescence by increasing telomerase activity and inhibiting pathways inhibiting cell roliferation)), PCT Int. Appl. Pubn. No.WO 2000/031238 (June 2000);
Kiyono, T., Foster, S.A., Koop, J.I., McDougall, J.K., Galloway, D.A., and Klingelhutz, A.J. / Both Rb/p16INK4a inactivation and telomerase activity are required to immortalize human epithelial cells.(1998) Nature, 396, 84-88.
Liu, K., Hodes, R.J., Weng, N. (2001)J. Immunol., 166, 4826-4830.
Mitchell, J.R., Wood, E., Collins, K. (1999) Nature, 402, 551-555.
Osterhage JL, Friedman KL. J Biol Chem. Chromosome end maintenance by telomerase.2009 Jun 12;284(24):16061-5. doi: 10.1074/jbc.R900011200. Epub 2009 Mar 12.
Verdun, R.E., Crabbe, L., Haggblom, C. and Karlseder, J. (2005) Functional human telomeres are recognized as DNA damage in G2 of the cell cycle. Mol Cell 20:551-561. Yudoh, K. et al., «Reconstituting telomerase activity using the telomerase catalytic subunit prevents the telomereshorting and replicative senescence in human osteoblasts», J. Bosle and Mineral Res. 16 (8): 1453-1464 (2001).
White, M.A., «Assembly of telomerase components and chaperonins and methods and compositions forinhibiting or stimulating telomerase assembly», PCT Int. Appl. Pubn. No. WO 2000/08135 (Feb. 2000);
Willeit P et.all, Telomere Length and Risk of Incident Cancer and Cancer Mortality, JAMA. 2010; 304(1):69-75.
Steven Russell Fauce,* Beth D. Jamieson,† Allison C. Chin,2,‡ Ronald T. Mitsuyasu,† Stan T. Parish,* Hwee L. Ng,† Christina M. Ramirez Kitchen,§ Otto O. Yang,† Calvin B. Harley,‡ and Rita B. Effros3,* Telomerase-Based Pharmacologic Enhancement of Antiviral Function of Human CD8+ T Lymphocytes The Journal of Immunology November 15, 2008 vol. 181 no. 10 7400-7406

«Нестареющая» Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе

В 2009 году Нобелевская премия по физиологии и медицине вручена трём американским учёным, разрешившим важную биологическую проблему: как хромосомы при делении клетки копируются полностью , без того, чтобы ДНК на их кончиках укорачивалась? В результате их исследований стало известно, что «защитным колпачком» для хромосом служат особым образом устроенные окончания ДНК - теломеры , достройкой которых занимается специальный фермент - теломераза .

В отличие от бактерий, имеющих кольцевую хромосому, хромосомы эукариот устроены линейно, и концы ДНК «подрезаются» при каждом делении. Чтобы избежать порчи важных генов, окончания каждой хромосомы защищены теломерами ..

Длинная нитеобразная молекула ДНК - главный компонент хромосом, несущий генетическую информацию, - с обоих концов закрыта своего рода «заглушками» - теломерами . Теломеры представляют собой участки ДНК с уникальной последовательностью и защищают хромосомы от деградации. Это открытие принадлежит двум лауреатам Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 г. - Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn ), уроженке США и в настоящее время сотруднице Университета Калифорнии (Сан-Франциско, США), и Джеку Шостаку (Jack Szostak ), профессору Института Ховарда Хьюза . Элизабет Блэкберн в сотрудничестве с третьим лауреатом премии этого года - Кэрол Грейдер (Carol Greider ), сотрудницей Университета Джона Хопкинса , - открыла в 1984 году фермент теломеразу , синтезирующий ДНК теломер (и тем самым достраивая их после неизбежного при каждом копировании хромосомы укорачивания). Таким образом, исследования, отмеченные премией в этом году (около 975 тысяч евро, поделенные поровну между лауреатами), объясняют, как теломеры защищают кончики хромосом, и как теломераза синтезирует теломеры.

Давно отмечено, что старение клетки сопровождается укорачиванием теломер. И, наоборот, в клетках с высокой активностью теломеразы, достраивающей теломеры, длина последних остается неизменной, и старение не наступает. Это, кстати, относится и к «вечно молодым» раковым клеткам, в которых механизм естественного ограничения роста не действует. (А для некоторых наследственных заболеваний характерна дефектная теломераза, что приводит к преждевременному клеточному старению.) Присуждение за работы в этой области Нобелевской премии является признанием фундаментального значения этих механизмов в живой клетке и огромного прикладного потенциала, заложенного в отмеченных работах.

Таинственная теломера

В хромосомах содержится наш геном, а «физическим» носителем генетической информации являются молекулы ДНК. Ещё в 1930 году Герман Мёллер (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1946 года «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения») и Барбара Мак-Клинток (лауреат Нобелевской премии в той же категории 1983 года «за открытие транспозирующих генетических систем») обнаружили, что структуры на концах хромосом - так называемые теломеры - предотвращали слипание хромосом между собой. Было высказано предположение, что теломеры выполняют защитную функцию, но механизм этого явления оставался совершенно неизвестным.

Позже, в 1950-х, когда уже было в общих чертах понятно, как копируются гены, возникла другая проблема. При делении клетки основание за основанием дублируется и вся клеточная ДНК, - при помощи ферментов ДНК-полимераз. Однако для одной из комплементарных цепей возникает проблема: самый конец молекулы не может быть скопирован (дело тут в «посадочном» сайте ДНК-полимеразы). Вследствие этого, хромосома должна укорачиваться при каждом делении клетки, - хотя на самом деле этого не происходит (на рисунке: 1).

И та, и другая проблема были со временем решены, за что в этом году и вручают премию.

ДНК теломер защищает хромосомы

Ещё в начале своей научной карьеры Элизабет Блэкберн занималась картированием последовательностей ДНК на примере одноклеточного жгутикового организма тетрахимены (Tetrahymena ). На концах хромосомы она обнаружила повторяющиеся последовательности ДНК вида CCCCAA, функция которых была на тот момент совершенно неизвестна. В то же время Джек Шостак обнаружил, что линейные молекулы ДНК (что-то вроде минихромосомы), введённые в клетку дрожжей, очень быстро деградируют.

Исследователи встретились на конференции в 1980 г., где Блэкберн докладывала свои результаты, заинтересовавшие Шостака. Они решили провести совместный эксперимент, в основе которого было «растворение барьеров» между двумя эволюционно весьма далёкими видами (на рисунке: 2). Блэкберн выделила из ДНК тетрахимены последовательности CCCCAA, а Шостак присоединил их к минихромосомам, помещённым затем в клетки дрожжей. Результат, опубликованный в 1982 году, превзошёл ожидания: теломерные последовательности действительно защищали ДНК от деградации! Это явление наглядно продемонстрировало существование неизвестного ранее клеточного механизма, регулирующего процессы старения в живой клетке. Позже подтвердилось наличие теломер в подавляющем большинстве растений и животных - от амёбы до человека.

Фермент, синтезирующий теломеры

В 1980-х аспирантка Кэрол Грейдер работала под началом Элизабет Блэкберн; они начали изучение синтеза теломер, за который должен был отвечать неизвестный на ту пору фермент. В канун рождества 1984 года Грейдер зарегистрировала искомую активность в клеточном экстракте. Грейдер и Блэкберн выделили и очистили фермент, получивший название теломераза , и показали, что в его состав входит не только белок, но и РНК (на рисунке: 3). Молекула РНК содержит «ту самую» последовательность CCCCAA, используемую в качестве «шаблона» для достройки теломер, в то время как ферментативная активность (типа обратной транскриптазы ) принадлежит белковой части фермента. Теломераза «наращивает» ДНК теломеры, обеспечивая «посадочное место» для ДНК-полимеразы, достаточное для копирования хромосомы без «краевых эффектов» (то есть, без потерь генетической информации).

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.

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.

Ни слова о функции Гомперца-Мейкема! Ни слова о её трёх параметрах и особенно о третьей (константе Мейкема), которая на протяжении уже 40 лет так исправно кормит наших друзей из Чикаго.

Поговорим о теломерах. С их укорочением в процессе клеточных делений связано множество ложных представлений, апофеозом чего явилась теломерная теория старения.. Я не буду здесь вновь (как я делаю это на протяжении уже почти 20 лет) критически рассматривать всю данную теорию.
Я обращу ваше внимание лишь на два скромных представления:
- о том, что репликативное укорочение ДНК обусловлено недорепликацией теломерных (концевых) отделов ДНК,
- а также о том, что при этом хромосомы укорачиваются сразу с обеих сторон.

Увы, даже скромность не делает эти утверждения верными. Но, вообще говоря, не так уж они и скромны!

Так, феномен недорепликации ДНК был теоретически предсказан А.М. Оловниковым ещё в 1971 году. Замечательная интуиция: анализируя сложный процесс репликации, Оловников обратил внимание на то,что начальный участок каждой молекулы ДНК не может быть воспроизведён имеющимся комплексом ферментов.
Исходя именно из этого, Оловников и предложил свою знаменитую теломерную теорию: в клетках, лишенных теломеразы, молекулы ДНК при каждом делении укорачиваются. Это, по Оловникову, и является причиной старения.
Не будем обсуждать примитивную простоту этой очень популярной по сей день теории (популярной вопреки тому,
что сам автор уже давно от неё отказался).

Скажем только, что, видимо, Оловникову не повезло ещё в одном аспекте. Последние исследования показывают. что реальной причиной укорочения ДНК является не предсказанная им недорепликация ДНК, а образование на обеих концах ДНК длинных оверхенгов.
Оверхенг похож на двужильный провод, в котором одна жила - короткая, а вторая - значительно длиньше. В данном случае жилы - это цепи двуспиральной ДНК. Более длинная цепь образует Т-петлю и спаривается с короткой цепью. В таком состоянии (да ещё скрепленном специальными белками - шелтеринами) концы ДНК наиболее устойчивы к атакам супербдительных систем репарации ДНК.
Одни из этих систем воспринимают «ровный» (без оверхенга) конец ДНК как двуцепочечный разрыв и начинают его с чем-нибудь сшивать или удлинять. Другие системы остро реагируют на наличие «острого» конца, воспринимая его как свидетельство одноцепочечного разрыва. Наличие Т-петли защищает теломеру от неуместного в данном случае внимания как первых, так и вторых систем.
Вот необходимость создания после каждого удвоения ДНК новых оверхенгов и приводит (в отсутствие теломеразы) к укорочению ДНК. Концевая недорепликация, разумеется, тоже имеет здесь место. Но ее вклад в укорочение ДНК на фоне размаха оверхенгов, совершенно незаметен.

Итак, одно устаревшее представление мы заменили на новое. Теперь - о втором,
Объект и происходящий с ним процесс - те же. Только теперь нас интересует: с дного или с обоих концов укорачиваются молекулы ДНК при каждой репликации?
Казалось бы:: оверхенг образуется на каждом конце - значит, и укорачиваться должны оба конца.
Но это не так. Представим: после репликации исходной молекулы ДНК получаются две дочерние молекулы - каждая с двумя оверхенгами. Так вот, обе молекулы укорачиваются лишь с одной стороны. одна - справа, другая - слева.
Действительно, тот конец дочерней ДНК, который,образуется на базе оверхенга материнской цепи, при формировании нового оверхенга не укорачивается.
Казалось бы, так ли важен этот вопрос? - Важен - и даже очень. Потому что получается, что любая хромосома в очередном цикле репликации с равной вероятностью может укоротиться как с одной, так и с другой стороны.
Поэтому в серии делений потомки каждой ДНК образуют по числу отщеплённых фрагментов ("билетиков") биномиальное распределение Бернулли.
Так, после 10 клеточных циклов примерно лишь у четверти хромосом А обе теломеры окажутся укороченными одинаково, причём каждая – лишь на 5 «билетиков».
У остальных хромосом теломеры будут укорочены на неодинаковое число «билетиков».
Если же число митотических циклов достигнет n = 50, то доля хромо с равным укорочением теломер – на 25 «билетиков» каждая – снизится вообще до ничтожных 3%.
Эти вероятностные оценки ставят под сомнение «счётную» функцию, которую нередко приписывают теломерам и которая предполагает. одинаковое укорочение обеих теломер. Более подробно эти вопросы освещены в книге:
Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л., "Молекулярная биология", изд-во "МИА", 2016, 3-е издание (дополненное), 660 с.

Теломеры на концах хромосом

Американским ученым удалось обратить преждевременное старение клеток, взятых у пациентов с прогерией, путем удлинения теломер с помощью РНК-терапии. Результаты работы опубликованы в Journal of the American College of Cardiology .

Теломеры представляют собой «насадки» на концах хромосом, которые обеспечивают репликацию (удвоение) ДНК при делении клеток. С каждым делением они укорачиваются, что ограничивает возможности клеток к размножению (максимально возможное число делений называется пределом Хейфлика). Укорочение теломер с возрастом служит одним из факторов старения организма. В клетках присутствует фермент теломераза, способный увеличивать длину теломер, однако он активен только в клетках, которым необходимо постоянно делиться (стволовых, половых, некоторых эпителиальных и большинстве злокачественных).

Прогерия Хатчинсона-Гилфорда - редкое генетическое заболевание, обусловленное мутацией гена LMNA , который кодирует белок ламин А, входящий в оболочку клеточного ядра. Дефектная форма этого белка, названная прогерином, нарушает архитектуру ядра, репарацию ДНК, многие другие биохимические процессы, а также резко ускоряет укорочение теломер. Все это приводит к быстрому старению организма - средняя продолжительность жизни при прогерии не превышает 13 лет.

Сотрудники Хьюстонского методистского исследовательского института с помощью монохромной мультиплексной количественной ПЦР измерили длину теломер в фибробластах 17 пациентов с прогерией возрастом от 1 до 14 лет, а также аналогичных клетках здоровых новорожденных и взрослых. У 12 пациентов эта длина соответствовала 69-летним здоровым людям, у остальных пяти она оказалась нормальной.

После этого ученые ввели в часть фибробластов пациентов с прогерией матричную РНК (мРНК), кодирующую человеческую теломеразу (hTERT), а в остальные - мРНК, кодирующую каталитически инертную форму этого фермента (CI hTERT), которая связывается с теломерами, но не удлиняет их. Процедуру повторили трижды с интервалом в 48 часов, что привело к стабильной экспрессии мРНК в течение нескольких дней.

РНК-терапия обычной hTERT восстановила пролиферацию фибробластов с укороченными теломерами, уменьшила потерю клеток в культуре и продлила срок жизни клеток. Это сопровождалось признаками омоложения фибробластов, в том числе увеличением активности теломеразы и длины теломер, снижением секреции воспалительных цитокинов и другими (авторы намерены подробно описать их в последующих публикациях). В целом кинетика роста клеток приблизилась к нормальной, но иммортализации (приобретения способности к неограниченному размножению и злокачественному перерождению) клеточной культуры не наблюдалось.

Введение CI hTERT в дефектные фибробласты и hTERT - в фибробласты с нормальной длиной теломер подобных эффектов не производили, то есть за них отвечало именно восстановление длины укороченных теломер.

«Полученные результаты свидетельствуют, что временная экспрессия мРНК теломеразы может служить быстрым и эффективным методом обращения старения клеток при прогерии. Хотя длительная экспрессия теломеразы может вызвать опасения, связанные с иммортализацией, наш подход не привел к перерождению клеток», - пишут авторы работы. В дальнейшем они намерены усовершенствовать методику так, чтобы адаптировать ее к клиническому применению.

Ранее ученым замедлить старение клеток мышей с аналогом прогерии временным «включением» факторов транскрипции, преобразующих зрелые клетки в стволовые. Также был орган-на-чипе для изучения реакции клеток пациентов с прогерией на механическую деформацию.