Геном - Мэтт Ридли 28 стр.

По крайней мере часть ответа на этот вопрос кроется в хромосоме 14 в виде гена ТЕР. Продуктом этого гена явля­ется белок, который входит в состав одной из самых удиви­тельных биохимических машин — теломеразы. Отсутствие теломеразы в клетках ведет к старению. Добавление тело­меразы делает некоторые клетки бессмертными.

История началась в 1972 году с подачи одного из перво­открывателей структуры ДНК — Джеймса Уотсона (James Watson). Уотсон заметил, что белковая машина копирова­ния ДНК, называемая полимеразой, не может начать счи­тывание ДНК с самого начала. Молекуле полимеразы сна­чала нужно прикрепиться к цепи ДНК, в результате какая- та часть нуклеотидов оказывается за активным центром полимеразы и не копируется. Каждый раз скопированный текст становится чуть короче оригинала. Представьте себе копировальную машину, которая обеспечивает иде­альное качество, но всегда начинает копирование текста со второй строки и заканчивает на предпоследней строке. Единственный способ справиться с такой ненормальной машиной — это заполнить первую и последнюю строки бес­смысленными повторами букв, которые не жалко потерять. Именно так и поступают хромосомы. Каждая хромосома представляет собой длинную страницу текста, который ко­пируется полимеразой полностью, за исключением самого начала и самого конца. Поэтому на своих концах хромосо­мы содержат бессмысленный текст более чем из тысячи по­второв «фразы» TTAGGG. Эти повторяющиеся фрагменты ДНК называются теломерами. Благодаря наличию теломер на концах хромосомы неуклюжесть полимеразы не приво­дит к потере жизненно важной информации. Как металли­ческий наконечник на конце шнурка, теломеры предохра­няют хромосому от изнашивания.

Но каждый раз после копирования хромосомы число те­ломер на концах уменьшается. После снятия сотни копий хромосома становится настолько короткой, что под угро­зой оказываются важные гены. В среднем теломерные кон­цы хромосомы уменьшаются на 31 «букву» в год, но в тканях с высокой скоростью деления концы хромосом «сгорают» значительно быстрее. Вот почему клетки стареют и умира­ют к определенному возрасту. Возможно, по этой же причи­не стареет и наше тело, хотя по данному вопросу между уче­ными продолжаются жаркие споры. К восьмидесяти годам на концах хромосом остается в среднем 5/8 от числа тело- мер, которые были при роясдении (Slagboom P. Е., Droog S., Boomsma D. I. 1994. Genetic determination of telomere size in humans: a twin study of three age groups. American Journal of Human Genetics 55: 876-882).

Но почему гены не теряются в яйцеклетках и спермато­зоидах, прародителях всех остальных клеток организма? В этих клетках неустанно работает теломераза, наращива­ния горящие концы хромосомы за счет добавления новых теломер. Теломераза, обнаруженная в 1984 году Кэролом Грейдером (Carol Greider) и Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn), оказалась затейливым созданием. Это соедине­ние содержит в себе молекулу РНК, которая используется в качестве шаблона для копирования теломер, а сам белок очень напоминает уже известную вам обратную транскрип- тазу, благодаря которой ретровирусы и транспозоны при­умножают свое число (см. главу 9). Одни считают теломера- зу предшественницей всех ретровирусов и транспозонов, исходной системой копирования РНК в ДНК. Другие рас­сматривают теломеразу как реликт РНК-овой эпохи жизни на Земле — первый организм, в основе которого лежал ком­плекс из молекул РНК и белка (Lingner J. et al. 1997. Reverse transcriptase motifs in the catalytic subunit of telome-rase. Science 276: 561-567).

Еще следует отметить одну интересную особенность: «фраза» TTAGGG, которая повторяется несколько тысяч раз на концах хромосом, совершенно одинакова у всех мле­копитающих. Более того, она одинакова у всех животных и грибов, начиная от простейшей трипаносомы, вызыва­ющей сонную болезнь, или плесени Neurospora. У растений эта «фраза» отличается лишь дополнительной буквой Т в начале: TTTAGGG. Совпадение не случайно. Теломераза ис­пользовалась еще у самых древних организмов, и шаблон­ная РНК с тех пор почти не изменилась. Интересный факт, у реснитчатых простейших — шустрых инфузорий, покры­тых пропеллерами ресничек, — для теломеразы исполь­зуется несколько иной текст: TTTTGGGG или TTGGGG. Другая особенность реснитчатых простейших состоит в варьировании генетического кода, постоянного для всех остальных организмов. Все больше накапливается данных, свидетельствующих, что инфузории выпадают из общего ствола жизни. Мое личное мнение состоит в том, что они произошли от самых первых форм жизни, возможно, еще до появления бактерий. Вполне вероятно, что инфузории

являются живыми ископаемыми, произошедшими непо­средственно от Луки — общего предка всех живых организ­мов. Хотя, соглашусь, за этой версией пока нет эксперимен­тально подтвержденных фактов (Clark М. S., Wall W.J. 1996. Chromosomes: the complex code. Chapman and Hall, London).

Как это не иронично, но теломераза была выделена и хорошо изучена не у человека, а как раз у инфузорий. Нам до сих пор не известно, какие белки объединяются вместе в составе теломеразы у человека. Вполне вероятно, что те­ломераза млекопитающих может сильно отличаться от те­ломеразы инфузорий. Некоторые скептики называют тело- меразу «мифическим ферментом», поскольку ее так трудно выделить из клеток человека. У инфузорий, хранящих свои гены на тысячах маленьких хромосом, на концах каждой из которых расположены теломеразы, выделить этот фермент значительно проще. Ген теломеразы млекопитающих был впервые найден канадскими учеными в базе данных генов мыши но аналогии с геном инфузорий. Затем уже похожий ген был обнаружен в геноме человека. Группа японских уче­ных определила место гена теломеразы на хромосоме 14. Гену было присвоено имя ТЕР-i, что означает первый тело- меразный белок (first telomerase-associated protein). Хотя этот белок действительно является необходимой составной частью теломеразы, похоже, что обратная транскриптазная активность восстановления концов хромосом связана не с ним. Уже найден подходящий кандидат на эту роль, но на­хождение гена на хромосомах человека на момент написа­ния этой книги еще не было установлено (Harrington L. et al. 1997. A mammalian telomerase-associated protein. Science 275:973-977: Saito T. et al. 1997. Comparative gene-mapping of the human and mouse TEP-i genes, which encode one protein component of telomerases. Genomics 46: 46-50).

Сейчас уже известны все гены теломеразы у человека: TEPI, TER(template-containing telomerase RNA - шаблонная РНК теломеразы) и TERT(telomerase reverse transcriptase — об­ратная транскриптаза теломеразы), а также регуляция этих генов у эмбрионов и в раковых клетках (Cong Y. S. et al. 2002. Human telomerase and its regulation. Microbiology and Molecular Biology Reviews 66' 407-425).

Среди всех прочих генов гены теломеразы в наиболь­шей степени подходят под определение «гены молодости». Теломераза является настоящим эликсиром вечной жизни для клеток. Исследователь Кол Харли (Cal Harley), кото­рый впервые установил факт укорачивания теломеразных хвостов у хромосом при делении, основал свою компанию Geron Corporation, основной целью которой стало изуче­ние теломеразы. В августе 1997 года мир облетела новость, что в Geron удалось клонировать часть теломеразы. Цена акций компании сразу удвоилась, не столько из-за ожида­ний, что это открытие принесет нам вечную молодость, сколько из-за того, что изучение теломеразы открывает перед нами новые перспективы в борьбе с раком. Раковые клетки не могут жить без теломеразы.

Исследователи компании Geron продолжили работу по созданию бессмертных клеток с помощью теломеразы. В одном из экспериментов были взяты две лабораторные культуры клеток, в которых отсутствовал ген теломеразы. Внедрение этого гена в клетки вело к тому, что они стано­вились способными делиться бесконечно, не теряя своей молодости, тогда как контрольные культуры клеток давно умерли. К моменту написания этой книги срок жизни кле­ток с теломеразой уже в 20 раз больше срока, отведенного им природой, и нет ни малейших признаков уменьшения скорости их деления (Bodnar A. G. et al. 1998. Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells. Science 279: 349-352).

В организме человека ген теломеразы выключен во всех тканях за редким исключением, но этот ген активно рабо­тает в организме эмбриона. С момента выключения гена теломеразы жизнь человека «ставится на стрелку». С этого времени длина теломер на концах хромосом отмеряет число делений в клетках разных тканей, и в определенный момент укорачивание хромосом с концов достигает предела, за ко­торым следует смерть клеток. У микробов никогда не вклю­чается отсчет числа делений, поскольку ген теломеразы ни­когда не выключается. В злокачественных раковых клетках этот ген включается повторно. В линии мышиных клеток с целенаправленно разрушенным одним из генов теломеразы теломеры на концах хромосом прогрессивно укорачивались (Niida Н. et al. 1998. Severe growth defect in mouse cells lacking the telomerase RNA component. Nature Genetics 19: 203-206).

Под микробами Ридли, вероятно, подразумевает про­стейших. В клетках бактерий нет теломеразы, поскольку у кольцевых бактериальных хромосом нет концов, и про­цесс копирования происходит без потери данных. Даже в тех редких случаях, когда у бактерий встречаются линей­ные хромосомы (например, у Agrobacterium tumefaciens), им все равно как-то удается обойтись без теломеразы.

В организме человека ген теломеразы выключен во всех тканях за редким исключением, но этот ген активно рабо­тает в организме эмбриона. С момента выключения гена теломеразы жизнь человека «ставится на стрелку». С этого времени длина теломер на концах хромосом отмеряет число делений в клетках разных тканей, и в определенный момент укорачивание хромосом с концов достигает предела, за ко­торым следует смерть клеток. У микробов никогда не вклю­чается отсчет числа делений, поскольку ген теломеразы ни­когда не выключается. В злокачественных раковых клетках этот ген включается повторно. В линии мышиных клеток с целенаправленно разрушенным одним из генов теломеразы теломеры на концах хромосом прогрессивно укорачивались (Niida Н. et al. 1998. Severe growth defect in mouse cells lacking the telomerase RNA component. Nature Genetics 19: 203-206).

Под микробами Ридли, вероятно, подразумевает про­стейших. В клетках бактерий нет теломеразы, поскольку у кольцевых бактериальных хромосом нет концов, и про­цесс копирования происходит без потери данных. Даже в тех редких случаях, когда у бактерий встречаются линей­ные хромосомы (например, у Agrobacterium tumefaciens), им все равно как-то удается обойтись без теломеразы.

Похоже, что отсутствие теломеразы является основной причиной, ведущей к старению и умиранию клеток. Но яв­ляется ли это причиной старения и умирания всего организ­ма? Есть одно свидетельство в пользу данного утверждения: клетки стенок артериальных сосудов обычно имеют более короткие теломеры, чем клетки стенок вен. Это отражает бо­лее напряженный рабочий ритм артерий в условиях посто­янно меняющегося повышенного давления крови. Клетки артерий растягиваются и сжимаются при каждом ударе серд­ца, что ведет к их быстрому износу и замене новыми быстро делящимися клетками. Именно постоянное деление клеток в стенках артерий ведет к быстрому укорачиванию длины теломер и старению клеток. Вероятно, именно поэтому мы чаще страдаем от проблем с артериями, чем от проблем с ве­нами (Chang Е., Harley С. В. 1995. Telomere length and repli- cative aging in human vascular tissues. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 92:11190-11194).

Старение мозга так просто не объяснить, поскольку нерв­ные клетки в течение ясизни человека не делятся. Но этот при­мер не оказался смертельным ударом для тех, кто считал от­сутствие теломеразы причиной старения. Вспомогательные клетки мозга, так называемые глиальные клетки, делятся довольно активно, а их теломеры укорачиваются. Впрочем, мало кто из ученых разделяет версию о том, что накопление «старых» клеток с сожженными концами хромосом является основной причиной старения организма. Большинство не­приятных вещей, ассоциируемых со старостью, таких как рак, дряхление и ослабление тонуса мышц, окостенение су­хожилий, седые волосы, снижение эластичности кожи, не имеют ничего общего с проблемой деления клеток. В случае с раком проблема как раз и состоит в том, что клетки делят­ся слишком активно.

Кроме того, виды животных сильно разнятся по продол­жительности жизни. Более крупные животные, например слон, живут обычно дольше мелких животных, что может показаться странным, так как для того чтобы вырос слон, требуется значительно больше делений яйцеклетки, чем для получения мыши. Это противоречит теории о том, что деление клеток ведет к их старению. Малоподвижные жи­вотные, такие как черепахи и ленивцы, живут дольше. Эти наблюдения ведут к следующему выводу, настолько просто­му, что он не может быть неверным, и врачи это подтвердят: всем животным отпущено одинаковое число дыханий. Слон живет дольше мыши, но и пульс у него значительно медлен­нее. Если жизнь измерить числом дыханий, то окажется, что продолжительность жизни у слона и мыши одинакова.

И все было бы хорошо с теорией, если бы не исключе­ния, касающиеся прежде всего летучих мышей и птиц. Миниатюрные летучие мыши, даже те, которые не впада­ют зимой в спячку, могут жить до 30 лет, и в течение всей жизни они едят, дышат и качают кровь с невероятной ча­стотой. Птицы, чья кровь на несколько градусов теплее нашей, в крови которых сахара вдвое больше, чем у нас, и потребление кислорода не сравнимо с таковым ни у одно­го из млекопитающих, обычно проживают длинную жизнь. Существуют две известные фотографии, на которых изо­бражен шотландский орнитолог Джордж Даннет (George Dunnet) с одним и тем же буревестником на руке, но фото­графии сделаны в 1950 и 1992 году. Буревестник выглядит совершенно одинаково на обеих фотографиях, чего нельзя сказать о профессоре Даннете.

На выручку биохимикам и врачам, у которых не получа­лось разгадать секрет старения, пришли эволюционисты.

Дж. Б. С. Холдейн (J. В. S. Haldane), Питер Мидэвор (Peter Medawar) и Джордж Уильяме (George Williams) независимо друг от друга сделали один и тот же вывод о причинах ста­рения. Каждый вид наделен своей программой старения, которая зависит от того, в каком возрасте особи этого вида продолжают размножаться. Естественный отбор тщатель­но выметает все генетические дефекты, которые могут по­вредить телу до или во время репродуктивного периода. Так происходит потому, что особи с дефектами в генах остав­ляют меньше потомства или не оставляют его совсем. Но естественный отбор не может повлиять на гены, которые ведут к разрушению организма уже после прекращения ре­продуктивного периода, поскольку такие мутации никак не могут повлиять на число потомков. Возьмем, к примеру, бу­ревестника Даннета. Он живет так долго, потому что в жиз­ни буревестника нет таких естественных врагов, как кошки и совы для мыши. Мышь в естественных условиях вряд ли проживет дольше трех лет, поэтому гены, которые приводят мышь к гибели на четвертый год, никак не контролируются естественным отбором. Буревестники продолжают размно­жаться и в 20 лет, поэтому гены, вредящие 20-летней птице, все еще находятся под прессом естественного отбора.

Эта теория подтверждается результатами одного на­блюдения, описанного Стивеном Аустэдом (Steven Austad). Исследователь изучал животный мир острова Сапело (Sapelo), который находится в пяти милях от береговой линии Джорджии в Соединенных Штатах Америки. На острове обитает популяция виргинийских опоссумов, изо­лированных от материка в течение 10 ООО лет. Опоссумы, как и все сумчатые, живут недолго. В возрасте 2 лет они уже обычно умирают, став жертвами катаракты, артритов, ли­шая и разнообразных паразитов. Но такая судьба уготовле­на лишь избранным долгожителям, поскольку до 2-летнего возраста опоссумы уже успевают попасть под грузовик или стать обедом для койота или филина. На острове Сапело, где естественных врагов у опоссумов нет, они доживают до старости, и поэтому в поле зрения естественного отбора попадает здоровье опоссумов после 2 лет. Больше потом­ства стали оставлять те особи, которые медленнее старели. Это и обнаружил Аустэд на Сапело. Опоссумы там не толь­ко живут дольше, но и медленнее стареют. Они продолжа­ли размножаться после 2-летнего возраста — что практиче­ски невозможно для материковых опоссумов, — оставаясь при этом значительно гибче и подвижнее своих однолеток с большой земли (Austad S. 1997. Why we age. John Wiley, New York).

Эволюционная теория старения очень хорошо объяс­няет тенденции старения у разных видов. Становится по­нятным, почему долго живущие виды имеют большие раз­меры (слон), хорошо защищены (черепаха и дикобразы) или способны избегать хищников (летучие мыши и летучие рыбы). Во всех случаях снижение вероятности гибели от несчастных случаев или хищников повышает степень есте­ственной селекции тех версий генов, которые способству­ют увеличению продолжительности жизни.

Предки людей на протяжении нескольких миллионов лет были достаточно большими, успешно использовали орудия для самообороны (даже шимпанзе умеют отгонять леопарда с помощью палок), поэтому в меньшей степени страдали от хищников. Результатом стало замедление ста­рения и существенное увеличение продолжительности жизни. Детская смертность в возрасте до 5 лет снизилась до 50%, что звучит шокирующе для современного общества, но в действительности значительно ниже детской смертно­сти у других видов в естественных условиях. Наш предок каменного века начинал половую жизнь примерно в 20 лет, репродуктивный период продолжался до 35 лет, и еще око­ло 20 лет уходило на воспитание детей, после чего в 55 лет человек вполне мог умереть без ущерба для популяции. Не удивительно, что в возрасте от 55 до 75 лет мы начинаем седеть, слабеть, терять гибкость, слепнуть и глохнуть. В од­ночасье начинают приходить в упадок все системы нашего организма. Так, когда-то рабочие автомобильных заводов Детройта ходили по свалкам и смотрели, какие запчасти в старых автомобилях все еще сохранили пригодность. Потом на заводе для этих запчастей снижали требования к качеству. Нет смысла тратить деньги на производство таких надежных деталей, которые переживут сам автомо­биль. Мать Природа сконструировала все органы таким об­разом, чтобы они могли служить нам до тех пор, пока мы не увидим наших детей самостоятельными, но не дольше.