Деление клеток и теломеры

Большинство клеток делятся. Это их постоянное занятие. Они делают это снова и снова, и так вы вырастаете из единственной клетки в полноценную взрослую особь, так обновляются ваши ткани и органы, так заживают раны на коже. Деление клеток – это наше все. Каждая клетка – это контейнер с вашими бесценными персональными данными: вашей ДНК.

ДНК похожа на длинное ожерелье, в котором каждая бусинка хранит кусочек информации о вас: ваши гены. Гены содержат инструкции по построению белков и всем другим клеточным функциям; они организованны и упакованы в хромосомы. Ваше ожерелье – ДНК состоит из двух нитей генетической информации, плотно закрученных «двойной спиралью». Если ДНК «расплести», ее длина составит около двух метров. Только представьте себе: два метра генетической информации, набитой в каждую из ваших микроскопических клеток. Когда клетка делится, она должна досконально скопировать всю эту информацию. Для этого ферменты расшивают спираль на две цепочки, пробегая по всей ее длине, и соответственно достраивают дочерние цепочки. Если при этом возникает ошибка, ваше здоровье оказывается под угрозой.

ПРИГЛЯДИМСЯ К МИТОХОНДРИЯМ

Если бы вы могли разрезать митохондрию вдоль и заглянуть внутрь, вы увидели там нечто вроде картины популярного абстракциониста: причудливый узор из складок и завитков. Без них мы бы никогда не смогли выработать столько энергии, сколько нам необходимо для выживания. Но, помимо своей эстетики и способности вырабатывать энергию, митохондрии примечательны еще много чем другим.

Начать с того, что когда-то они были самостоятельными клетками, пока их не поглотила более крупная клетка. Скажете, безумная идея? Однако ученые полагают, что так и было – однажды в начале времен маленькая прокариотическая клетка – одноклеточное существо – плавала в первичном океане и угодила в большую прокариоту. Но вместо того чтобы переварить меньшего собрата, хищница научилась с ним сосуществовать. Более крупный организм обеспечивал питание, а малыш вырабатывал энергию. Следуя этой сюжетной линии, из союза двух прокариот эволюционировали все более крупные существа, а счастливой концовкой стало появление нас с вами.

Во всех многоклеточных организмах, включая животных, растения и грибы, есть митохондрии. Поскольку митохондрии изначально были независимыми клетками, логично предположить, что они имеют собственную ДНК. В то время как в геноме человека насчитывается приблизительно 20–25 тысяч генов (согласно данным проекта «Геном человека»), в наших митохондриях живет только тридцать семь генов. И если ДНК в ядрах клеток содержит информацию от обоих родителей, то митохондриальная ДНК передается только по материнской линии и остается неизменной на протяжении поколений. Если вы попытаетесь проследить вашу родословную по ДНК (воспользовавшись, например, капелькой слюны), то именно митохондриальная ДНК предоставит вам важные подсказки.

При всяком делении клетки – а некоторые из них делятся часто, особенно в таких органах, как желудок, где каждые пять дней происходит обновление клеток, – наиболее уязвимыми являются концы ДНК. При неоднократном копировании они попросту истираются, и некоторая важная генетическая информация может быть потеряна. Изменения в генетической информации могут привести к мутации, которая имеет все шансы перерасти в серьезную болезнь.

К счастью, клетки имеют специальные механизмы для поддержания нашего здоровья и выживания – своеобразные «заглушки» для ДНК, называемые теломерами. Теломеры – одни из самых маленьких частиц нашего тела, но они выполняют важнейшую работу: защищают хрупкие концы хромосом, как пластиковые наконечники шнурков, предохраняющие их концы от растрепывания. Теломеры принимают на себя удар каждый раз, когда клетки создают свою копию, и защищают ДНК от повреждений, которые могут представлять серьезную опасность для здоровья.

В том, что сегодня мы обладаем информацией о наших теломерах, большая заслуга доктора Элизабет Блэкбёрн, которая в 1980-х годах начала заниматься картированием последовательностей ДНК. Эти исследования, за которые Блэкбёрн и ее команда получили Нобелевскую премию 2009 года, показали, что так же, как теломеры обеспечивают защиту наших хромосом, клетки имеют встроенный механизм защиты теломер, теломеразу – фермент, который помогает восстановить и удлинить укороченные и изношенные теломеры.

По мере того как мы стареем, а наши клетки продолжают делиться, теломеры становятся все короче. На самом деле длину теломер можно считать показателем вашего здоровья на клеточном уровне. Короткие теломеры являются признаком надвигающейся болезни. Когда теломеры слишком короткие и не могут защитить ваши хромосомы, велика вероятность того, что в процессе деления клеток ваш генетический материал скопируется неточно и включится механизм сенесценции.

Но теломеры укорачивает не только деление клеток, – и это ключевой момент для тех из нас, кто хочет понять, как сохранить здоровье в процессе старения. Сегодня ученые присматриваются в этом смысле и к опасному воздействию внешних факторов – таких как стресс.

Интерес к этой теме привел нас в Калифорнийский университет в Сан-Франциско, где мы встретились с доктором психологии Элиссой Эпель. Она предоставила нам информацию, позволяющую глубже понять принципы работы клеточных механизмов. Пятнадцать лет назад доктор Эпель организовала рабочую встречу с доктором Блэкбёрн, чтобы обсудить тему клеточного старения в междисциплинарной перспективе: как психологический стресс может влиять на наши клетки?

Теломеры – одни из самых маленьких частиц нашего тела, но они выполняют важнейшую работу: защищают хрупкие концы хромосом, как пластиковые наконечники шнурков, предохраняющие их концы от растрепывания.

Доктор Эпель разработала исследование с участием двух групп молодых мам. Одна группа имела здоровых детей, в другой группе дети страдали хроническими заболеваниями. Ученые измерили теломеры и теломеразу матерей в обеих группах и обнаружили у женщин, которые испытывали хронический стресс при ежедневном уходе за детьми, укороченные теломеры и меньшее количество теломеразы. В других испытаниях женщины, которые ухаживали за больными деменцией, тоже продемонстрировали укороченные теломеры. Кроме того, более низкий уровень теломеразы показали женщины с ожирением. Дальнейшие исследования показали, что теломеры могут укорачиваться вследствие неправильного питания и недостатка физической активности.

До начала совместных исследований доктора Эпель и доктора Блэкбёрн ученые полагали, что длину теломер определяют исключительно наши гены. И тут вдруг выяснилось: психологические стрессы и неправильный образ жизни тоже старят нас – в прямом, биологическом смысле, – причем эти возрастные изменения измеримы на клеточном уровне.

Что мы можем сделать, чтобы защитить наши теломеры? Уже доказано: здоровое питание, полноценный отдых и контроль над стрессом способствуют удлинению теломер. На длину их влияет и пол. В среднем теломеры у женщин длиннее, чем у мужчин, и некоторые ученые полагают, что это отчасти объясняет, почему женщины живут дольше.

В среднем теломеры у женщин длиннее, чем у мужчин, и некоторые ученые полагают, что это отчасти объясняет, почему женщины живут дольше.