Эффект теломер: революционный подход к более молодой, здоровой и долгой жизни

Водная муть преподает урок

Тетрахимены – род одноклеточных организмов, свободно плавающих в пресной воде в поисках пищи и возможности спариться (у тетрахимен, кстати, существует семь полов – можете обдумать этот любопытный факт, когда в следующий раз будете плескаться в озере). Тетрахимены, по сути, представляют собой тину, но на вид эти создания довольно милые. В микроскоп можно рассмотреть их округлое тельце, окруженное защитными волосками, благодаря чему тетрахимены выглядят как пушистые персонажи какого-нибудь мультфильма. Если присматриваться к ним достаточно долго, то можно заметить отдаленное сходство с волосатым героем «Маппет-шоу», который исполняет до смешного заразную песню «Мана-мана».

Внутри клетки тетрахимены находится ядро – ее главный командный пункт. В глубине этого ядра лежит настоящий подарок для молекулярного биолога: 20 000 крошечных хромосом – все они одинаковые, линейные и очень короткие. Благодаря столь удобному строению ученым не составляет особого труда исследовать теломеры тетрахимен – защитные колпачки на концах хромосом. Именно тетрахимен я (Элизабет) изучала в далеком 1975 году в лаборатории Йельского университета, выращивая их миллионами в больших пробирках. Мне хотелось проанализировать достаточно теломер, чтобы понять, из чего они состоят на генетическом уровне.

На протяжении десятилетий ученые предполагали, что теломеры защищают хромосомы – не только у тины, но и у людей, – но никому не было известно, что они собой представляют и как функционируют. Я решила, что если у меня получится разобраться в структуре ДНК теломер, то, возможно, удастся подробнее узнать и о выполняемых ими функциях. Мною двигало желание понять природу теломер; в те годы никому и в голову не приходило, что они являются одним из основных биологических двигателей старения.

Используя особую смесь, которая, по сути, состояла из средства для мытья посуды и соляного раствора, я отделила ДНК тетрахимен от окружающего ее вещества. С помощью различных методов химического и биохимического анализа, освоенных в Кембридже, я принялась внимательно изучать эту ДНК. И при тусклом красном свете ламп проявочной комнаты я добилась поставленной цели. В помещении царила тишина, которую нарушала только струйка воды рядом с проявочными баками. Я поднесла к лампе с красным светофильтром еще не высохший рентгеновский снимок, и волна возбуждения окатила меня, когда я осознала, что именно предстало перед моими глазами. На концах каждой хромосомы обнаружились простые повторяющиеся последовательности ДНК. Одни и те же последовательности, снова и снова. Мне удалось раскрыть структуру ДНК теломер! На протяжении следующих месяцев я продолжила изучать ДНК тетрахимен, чтобы детально в ней разобраться, и вдруг выяснился совершенно неожиданный факт: эти крошечные хромосомы оказались не такими уж и одинаковыми, как казалось на первый взгляд. На концах одних из них было больше повторяющихся участков ДНК, а на концах других – меньше.

Рис. 7. Тетрахимена. Это крошечное одноклеточное создание, с помощью которого Элизабет расшифровала ДНК теломер и открыла теломеразу^[3], предоставило ученым первую драгоценную информацию о теломерах, теломеразе и жизненном цикле клетки, что послужило толчком для изучения теломер человека.

Никто прежде не замечал, чтобы ДНК вела себя подобным образом: ее участки повторялись, причем, судя по всему, случайное количество раз. Теломеры тетрахимен словно намекали на то, что на концах хромосом скрывается нечто особенное. Нечто такое, что впоследствии окажется важнейшим условием здоровья человеческих клеток. Эта изменчивость длины концевых участков хромосом станет одним из ключевых факторов, объясняющих, почему некоторые из нас живут дольше и болеют меньше других.

Теломеры: защитники наших хромосом

Те рентгеновские снимки, еще даже не успев высохнуть, наглядно продемонстрировали, что теломеры состоят из повторяющихся отрезков ДНК. Наша с вами ДНК представляет собой две параллельные скрученные нити, построенные всего из четырех структурных элементов (нуклеотидов), которые принято обозначать латинскими буквами A, T, C и G (A – А (аденин), G – Г (гуанин), C – Ц (цитозин), T – Т (тимин)). Помните, как во время школьных экскурсий класс разбивали на пары учеников, которые должны были держаться за руки? Так вот, нуклеотиды подчиняются тому же принципу. А всегда идет в паре с T, а C – всегда с G. Нуклеотиды из одной нити ДНК объединяются со своими партнерами из второй нити. Так образуются пары оснований – именно в них измеряется длина теломер.

Рис. 8. Нити теломер вблизи. На концах хромосом находятся теломеры. Нити теломер состоят из повторяющихся последовательностей TTAGGG, напротив которых расположены их пары AATCCC. Чем больше таких последовательностей, тем длиннее теломеры. На данном рисунке изображена голая ДНК теломер, хотя на самом деле она покрыта защитным слоем белка.

В теломерах человека (как обнаружится впоследствии) первая нить состоит из повторяющихся последовательностей TTAGGG, напротив которых, на второй нити, расположены последовательности AATCCC. Обе нити закручены спиралью (типичная для ДНК форма).

Эти пары оснований, повторяющиеся тысячи раз, позволяют измерить длину теломер (обратите внимание: на некоторых иллюстрациях, приведенных в книге, длина теломер указана в других единицах). Повторяющиеся последовательности подчеркивают разницу между теломерами и остальной ДНК. Гены, также состоящие из ДНК, находятся внутри хромосом (в каждой нашей клетке содержится 23 пары хромосом, итого – 46). В ДНК генов зашифрован шаблон, по которому формируется наш организм, – подробная инструкция по его созданию. Из парных букв образуются сложные «предложения», содержащие инструкции по производству белков, из которых состоит наше тело. ДНК генов определяет, насколько быстро бьется ваше сердце, голубые у вас глаза или карие, достаточно ли ваши ноги и руки длинны, чтобы победить в марафоне. ДНК теломер совсем другая. Прежде всего она расположена не внутри генов, а снаружи – на самом конце хромосомы, содержащей гены. В отличие от ДНК генов в ней не закодированы никакие инструкции. ДНК теломер скорее играет роль амортизатора, защищающего хромосомы в процессе деления клеток. Теломеры принимают на себя все внешние удары.

Такая защита чрезвычайно важна. В процессе деления и обновления клеток драгоценное содержимое их хромосом (то есть генетические инструкции) должно оставаться неуязвимым. Иначе откуда организм ребенка узнает, что он должен вырасти высоким и сильным? Как иначе ваши клетки смогут наделить вас чертами, которые делают вас уникальным и не похожим на других? А ведь в момент деления клетки ее хромосомы – вместе с находящимся внутри них генетическим материалом – особенно уязвимы. Без дополнительной защиты хромосомы с ценным грузом могут запросто пострадать: распасться, слиться друг с другом или мутировать. Когда генетический материал клетки перемешивается подобным образом, последствия могут оказаться поистине разрушительными. Из-за мутации клетки способны утратить свои функции, погибнуть или переродиться в раковые клетки, которые начнут стремительно размножаться. В таком случае вы вряд ли долго протянете.

Теломеры, которые запечатывают концы хромосом, не позволяют произойти всем этим немыслимым событиям. Именно это мы и узнали об особых повторяющихся последовательностях ДНК, из которых состоят теломеры. Вместе с Джеком Шостаком я (Элизабет) открыла эту важнейшую функцию в начале 1980-х годов: мне удалось изолировать последовательности ДНК теломер тетрахимены, которые Джек затем поместил в клетку дрожжевого грибка. Теломеры тетрахимены принялись защищать хромосомы дрожжевого грибка в процессе деления клеток, жертвуя ради этого своими парами оснований.

При каждом делении клетки ее «кодирующая ДНК» (из которой и состоят гены) в точности копируется, оставаясь неизменной. К сожалению, с каждым делением теломеры на концах хромосом теряют пары оснований. Таким образом, с годами, по мере все новых и новых делений клетки, они становятся короче. Вместе с тем процесс их сокращения не является линейным. Взгляните на график, приведенный далее.

В рамках программы изучения генов, среды обитания и здоровья, разработанной медицинским центром «Кайзер Перманент», проводилось интересное исследование, в ходе которого у 100 000 добровольцев взяли образцы слюны, чтобы измерить длину теломер. Было установлено, что теломеры в среднем становятся все короче и короче начиная с 20-летнего возраста и достигают минимальной длины к 75 годам {1}. После этого они удивительным образом остаются неизменными или даже удлиняются. Данный феномен, вероятно, не свидетельствует об истинном удлинении теломер – просто люди с более короткими теломерами, скорее всего, к этому возрасту умирают (это явление известно как систематическая ошибка выживших: в любом исследовании, посвященном процессу старения, самые старые люди оказываются наиболее здоровыми). Именно людям с самыми длинными теломерами удается дожить до 90, а то и до 100 лет.

Рис. 9. Теломеры с возрастом укорачиваются. Длина теломер с годами в среднем уменьшается. Быстрее всего этот процесс происходит в раннем детстве, после чего средняя скорость сокращения теломер с возрастом снижается. Любопытно, что согласно результатам многих исследований теломеры не сокращаются у людей старше 70. Считается, что дело тут в систематической ошибке выживших, поскольку до этого возраста доживают люди с самыми длинными теломерами. Скорее всего, их теломеры были длиннее на протяжении всей жизни, начиная с рождения.

Теломеры, болезни и смерть

С годами теломеры становятся короче, но действительно ли с их помощью можно узнать, сколько человеку суждено прожить или в каком возрасте он начнет серьезно болеть?

Ученые отвечают на этот вопрос утвердительно.

Не во всех исследованиях теломеры служили надежным индикатором продолжительности жизни, потому что на нее влияют и многие другие факторы. Однако приблизительно в половине всех исследований, в том числе наиболее масштабных, теломеры действительно позволяли ориентировочно предсказать продолжительность жизни. Так, исследование, проведенное в 2015 году в Копенгагене, в котором участвовали свыше 64 000 человек, показало, что короткие теломеры предвещают преждевременную смерть {2}. Чем они короче, тем выше риск умереть от рака, сердечно-сосудистых заболеваний, да и в целом умереть в более раннем возрасте независимо от конкретной причины. Взгляните на рис. 10, на котором теломеры разделены по длине на десять групп. Группа людей с самыми длинными теломерами (с 100-й по 91-ю перцентиль) находится слева, следом идет группа с 81-й по 90-ю перцентиль и т. д., вплоть до последней группы людей, у которых теломеры самые короткие (с 1-й по 10-ю перцентиль). Наблюдается четкая зависимость: люди с самыми длинными теломерами наиболее здоровы; по мере уменьшения длины теломер вероятность заболеть и умереть раньше времени увеличивается.

Вернемся к упомянутому выше исследованию, организованному медицинским центром «Кайзер Перманент». Через три года после измерения длины теломер выяснилось, что самая высокая смертность отмечалась среди людей с самыми короткими теломерами {4}. Исследователи учитывали множество разных параметров, потенциально влияющих на состояние здоровья и продолжительность жизни, в том числе возраст, пол, расовую и этническую принадлежность, уровень образования, наличие вредных привычек, уровень физической активности, индекс массы тела (ИМТ). Зачем ученым понадобилось рассматривать столько переменных? Дело в том, что настоящей причиной повышения уровня смертности теоретически могли быть не укороченные теломеры, а один, несколько либо все из этих факторов. К примеру, наблюдается явная зависимость между курением табака и общим показателем смертности, а во многих исследованиях была обнаружена корреляция между курением и более интенсивным сокращением теломер. Но даже после того, как были учтены все перечисленные факторы, зависимость между сокращением теломер и общим показателем смертности прослеживалась отчетливо. Судя по всему, длина теломер действительно вносит вклад в суммарный риск преждевременной смерти.

Рис. 10. Теломеры и смертность. Длина теломер позволяет предсказать уровень общей смертности, а также смертности от различных болезней. У людей с самыми длинными теломерами (выше 90-й перцентили) наиболее низкие показатели смертности от рака, болезней сердца и других причин (источник: Rode et al., 2015 {3}).

Снова и снова ученые обнаруживали зависимость между сокращением теломер и самыми распространенными возрастными недугами. Многие масштабные исследования показали, что у людей с короткими теломерами отмечается повышенная вероятность развития ряда хронических заболеваний: диабета, болезней сердца и сосудов, легких, а также иммунных расстройств и некоторых видов рака {5}. Существование многих таких зависимостей позже подтвердилось в обзорных исследованиях (метаанализ), что окончательно убедило научное сообщество в точности и достоверности полученных выводов. Однако эти научные открытия – если взглянуть на них с другой стороны – можно назвать и обнадеживающими. Так, в ходе исследования «Health ABC», в котором участвовали здоровые пожилые люди, было продемонстрировано, что те, у кого теломеры белых клеток крови длиннее, чем в среднем по популяции, дольше сохраняют здоровье – у них позже начинают развиваться серьезные возрастные заболевания {6}.

Переломный момент

Люди вроде Робин Хурас, чьи теломеры из-за наследственного заболевания стремительно укорачиваются, служат наглядным примером того, какое огромное влияние теломеры оказывают на наше с вами здоровье. Иногда, как в случае с Робин, это влияние по-настоящему губительно, поскольку клеточное старение существенно ускоряется. К счастью, за последнее время мы узнали о теломерах довольно много нового. В частности, Робин и другие члены ее семьи предоставили ученым образцы своих тканей и крови, благодаря чему удалось выявить одну из генетических мутаций, вызывавших болезнь. И это был лишь первый шаг в развитии методов эффективной диагностики и лечения подобных заболеваний.

Вы тоже можете воспользоваться знаниями о теломерах, чтобы переломить ситуацию и сделать жизнь более здоровой – для себя, своих близких и всех будущих поколений. А все потому, что, как вы вскоре убедитесь сами, теломеры способны меняться. В ваших силах повлиять на то, начнут ли они укорачиваться раньше срока или еще надолго останутся длинными и здоровыми. Чтобы вы поняли, о чем идет речь, мы предлагаем вам снова заглянуть в лабораторию, где Элизабет проводит эксперименты. Со времени нашего последнего посещения тетрахимены начали вести себя весьма странным и неожиданным образом.

Глава 3
Теломераза – фермент, восстанавливающий теломеры

Вскоре после того, как я (Элизабет) изучила рентгеновский снимок с ДНК теломер, меня пригласили работать в Калифорнийский университет в Беркли, где в 1978 году я открыла собственную лабораторию, чтобы и дальше исследовать теломеры. Тут-то я и заметила нечто, не на шутку меня поразившее. Я продолжила выращивать колонии тетрахимен – тех самых «волосатых» одноклеточных созданий, из которых состоит водная муть, – и уже научилась вычислять размеры их теломер по длине ДНК. А кроме того, я выяснила, что каким-то таинственным образом при определенных условиях теломеры тетрахимен иногда начинали расти.

Это меня потрясло, ведь я ожидала, что если теломеры и будут меняться, то непременно станут укорачиваться, а не удлиняться, то есть количество последовательностей ДНК в каждой теломере будет уменьшаться. Но все выглядело так, словно тетрахимены создавали новую ДНК. Это было немыслимо! Всегда считалось, что ДНК не может изменяться. Вы наверняка слышали, что мы умираем с той же ДНК, с которой родились, и что ДНК производится исключительно за счет процесса, который можно условно назвать биологическим копированием. Я все проверила и перепроверила, но результаты подтвердились: то, что считалось невозможным, и впрямь происходило. Затем мы с Дженис Шампэй (так звали мою студентку, вместе с которой мы работали над экспериментами, придуманными мной и Джеком Шостаком, исследователем из Гарварда) обнаружили то же самое в клетках дрожжевых грибков. Позже начали поступать сообщения от других ученых: оказалось, подобные изменения наблюдаются и у остальных одноклеточных созданий, а не только у тетрахимен. На концах хромосом этих организмов появлялись новые участки ДНК. Их теломеры росли.

Никакие другие участки ДНК не ведут себя таким образом. На протяжении десятилетий ученые были убеждены, что любой отдельно взятый отрезок ДНК хромосомы существует исключительно потому, что он скопирован с существовавшей ранее ДНК. Было принято считать, что ДНК не может появляться «из воздуха», на пустом месте.

Ощущение было непередаваемое: прямо на моих глазах происходило нечто такое, чего никому прежде наблюдать не доводилось. Каждый ученый надеется совершить подобное открытие. Дух захватывает, когда неожиданные данные наталкивают на мысль о существовании неизведанных уголков мироздания, которые только и ждут, чтобы их изучили. Однако столь необычное поведение теломер привело к открытию гораздо большего, чем просто какой-то уголок мироздания, – обнаружились целые районы, о существовании которых до тех пор никому не было известно.

Теломераза: решение проблемы сокращения теломер

Я продолжала размышлять над странным поведением теломер, их способностью увеличиваться в длину. Я решила, что нужно заняться поисками фермента, который, возможно, и создавал новые участки ДНК в теломерах, – фермента, который способен восстанавливать теломеры, после того как те сократились. Настало время закатать рукава и опять приступить к выращиванию колоний тетрахимен. Почему именно их? Потому что из них можно получить изрядное количество теломер для изучения. Я решила, что так смогу обнаружить и формирующий теломеры фермент, если, конечно, он вообще существует.

В 1983 году к этим исследованиям присоединилась аспирантка Кэрол Грейдер, начавшая работать вместе со мной в лаборатории. Мы принялись проводить новые эксперименты и совершенствовать их. В день Рождества 1984 года Кэрол сделала рентгеновский снимок (авторадиограф), на котором впервые были видны отчетливые признаки работы неизвестного фермента. Когда Кэрол вернулась домой, в порыве возбуждения она пустилась в пляс посреди гостиной. Назавтра она с трудом сдерживала ликование, когда протянула мне рентгеновский снимок, ожидая моей реакции. Мы переглянулись. Каждая из нас прекрасно осознавала, что означало полученное нами изображение: теломеры способны удлинять свою ДНК, захватывая впервые обнаруженный фермент, который мы решили назвать теломеразой. Теломераза создает в теломерах новые участки ДНК, используя в качестве образца существующие последовательности нуклеотидов.

Однако науку двигают не только отдельные моменты гениальных озарений. Мы должны были убедиться в достоверности полученных результатов. Недели сменялись месяцами – мы скрупулезно продолжали исследования. Нас то и дело охватывали приступы сомнений, вслед за которыми приходили всплески радостного волнения. Шаг за шагом мы отмели все возможные причины, по которым наблюдение, сделанное нами в конце 1984 года, могло оказаться ошибочным. Наконец родилось более глубокое понимание сущности теломеразы: это фермент, который отвечает за восполнение участков ДНК, потерянных во время деления клеток. Теломераза строит и восстанавливает теломеры.

Вот что мы узнали о работе теломеразы. Фермент состоит из белков и РНК – своего рода копии ДНК. Эта копия содержит шаблон последовательности ДНК, которая затем раз за разом будет повторяться в теломере. Теломераза использует этот шаблон РНК как встроенную биохимическую инструкцию для воссоздания правильной последовательности нуклеотидов в новой ДНК. Благодаря этому удается воспроизвести такую ДНК, которая притягивает к себе защитный слой белка, покрывающий теломеры. Итак, теломераза добавляет новые фрагменты ДНК на концах хромосом, руководствуясь шаблоном последовательности, взятым из РНК, а также присущим ДНК принципом объединения отдельных нуклеотидов в пары. В итоге добавляются точно подобранные последовательности нуклеотидов, которые повторяют уже существующие. За счет этого механизма теломераза достраивает окончания хромосом взамен утраченных участков.

Загадка удлиняющихся теломер была раскрыта. Теломераза восстанавливает теломеры, добавляя к ним участки теломерной ДНК. С каждым делением клетки ее теломеры постепенно укорачиваются, пока их длина не достигнет критического значения: это служит для клетки сигналом, и она прекращает делиться. Теломераза борется с сокращением теломер, достраивая ДНК и восстанавливая утраченные участки на концах хромосом после каждого деления клетки. Благодаря этому хромосомы остаются нетронутыми и новая клетка получает их точную копию. Таким образом, клетка может обновляться и далее. Теломераза способна замедлять, предотвращать и даже обращать вспять сокращение теломер, сопровождающее клеточное деление. В каком-то смысле теломераза умеет обновлять теломеры. Мы нашли способ обойти предел Хейфлика… И все благодаря тине из пруда!