Теломеры — встроенный механизм старения

Кроме апоптоза, а точнее — вместе с апоптозом, в организме существует еще один механизм, ограничивающий размножение клеток и накопление мутаций в организме, — сокращение теломер.

В 1961 году, изучая деление клеток, американский ученый Леонард Хейфлик провел простой, но очень элегантный эксперимент. В клеточной культуре он смешал в равных частях мужские и женские фибробласты, которые различались по количеству пройденных клеточных делений. Мужские фибробласты, взятые для эксперимента, прошли уже около 40 делений, а женские всего около 10. (Клетки разного пола использовались для того, чтобы иметь возможность легко различать их в смеси по наличию или, напротив, отсутствию Y-хромосомы.)

Параллельно был поставлен контрольный опыт с такими же «старыми» мужскими фибробластами, но без добавления женских клеток. Когда спустя примерно 10 клеточных циклов контрольная несмешанная популяция мужских клеток перестала делиться, смешанная опытная культура содержала только женские клетки, а все мужские в ней погибли. На основании этого Хейфлик сделал вывод, что нормальные клетки, в отличие от раковых, имеют ограниченную способность к делению. Этот «предел деления» позже получил название «предел Хейфлика». Количество возможных делений различается для разных типов клеток в организме, но обычно укладывается в диапазон 40–60 раз. После наступления предела Хейфлика клетка в норме либо погибает, либо продолжает работать в организме, но больше не вступает в клеточный цикл, все время оставаясь в фазе G0, так что соматические мутации, которые она успела накопить к этому времени (и продолжает накапливать), перестают распространяться по организму.

Молекулярный механизм, объясняющий ограниченное число клеточных делений в нормальных зрелых клетках, впервые теоретически предсказал наш соотечественник Алексей Оловников в 1973 году.

Дело в том, что, поскольку ДНК человека имеет линейную форму (хромосомы), а не кольцевую, как, например, у бактерии, в каждом цикле ее копирования один из концов будет воспроизводиться не полностью. Большому белковому комплексу ферментов ДНК-полимераз, которые обеспечивают копирование ДНК, требуется довольно обширная «стартовая площадка», на которую он садится, прежде чем взяться за работу. Вот это самое место посадки ДНК-полимераз на конце хромосомы всякий раз будет оставаться недокопированным. Так, постепенно, цикл за циклом, хромосомы в клетке станут укорачиваться. Оловников предположил, что после достижения ими определенной (критической) длины процесс деления сделается невозможным, хотя все остальные функции клетки могут сохраняться.

Позднее экспериментальные работы блестяще подтвердили это предположение, и в 2009 году Нобелевскую премию за исследование теломер и их связь со старением (как клеточных линий, так и организма в целом) получили американские ученые Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак. Оказалось, что длина теломер — очень точный и чувствительный «датчик» состояния отдельных клеток и организма в целом, реагирующий на стрессы. Лаборатория Элизабет Блэкберн даже запатентовала тест на определение биологического возраста человека (который может существенно расходиться с «паспортным» как в ту, так и в другую сторону) по длине его теломер. Впрочем, как оказалось, функции теломер в делении не сводятся лишь к тому, чтобы обеспечивать посадку ДНК-полимераз. Особая структура этих участков предотвращает «слипание» хромосом, обеспечивая их правильное расхождение во время деления.

Так обстоят дела в нормальных, здоровых клетках. А что в раковых? Выяснилось, что там, несмотря на многочисленные деления, теломеры сохраняют «юношескую» длину и постоянно обновляются. За обновление теломер в клетке отвечают специальные белки, самый известный из которых — фермент теломераза. В зрелых клетках взрослого организма он, как правило, отсутствует, зато в опухолевых синтезируется в больших количествах. Для целого ряда опухолей наблюдается печальная закономерность: чем выше теломеразная активность, тем хуже прогноз на излечение. Это делает теломеразу важным потенциальным объектом для лекарственного воздействия. Во многих фармацевтических компаниях сейчас проходят испытания препараты, блокирующие удлинение теломер.

Задача эта непростая, исследования последних лет показали, что, как и в случае с системами репарации ДНК, в раковых клетках действует не один механизм удлинения теломер (теломеразный), а несколько. Однако предварительные эксперименты демонстрируют, что, предотвращая удлинение теломер, можно блокировать размножение раковых клеток многих типов, включая глиобластому — рак мозга, плохо поддающийся большинству традиционных видов химиотерапии, так что ученые не оставляют попыток взять под контроль этот процесс.

Теломераза — один из многих примеров того, как в раковых клетках взрослого организма активируются гены, которые в норме бывают активны только в эмбрионах. Существует целая группа онкомаркеров (белков, по присутствию которых можно заподозрить наличие злокачественной опухоли в организме), называющихся «онкофетальные белки». Это макромолекулы, которые в норме производятся только в эмбриональных тканях человека и исчезают после формирования плода. В злокачественных опухолях, однако, они начинают синтезироваться снова, что позволяет использовать их как маркеры для диагностики болезни. Одним из таких онкофетальных белков является альфа-фетопротеин (AFP) — маркер гепатоцеллюлярной карциномы, рака печени. В открытии и изучении этого белка важную роль сыграли работы отечественных ученых Г. И. Абелева и Ю. С. Татаринова. Именно они разработали эффективный метод определения этого онкомаркера в сыворотке крови (реакция Абелева — Татаринова, или «альфа-фетопротеиновый тест»). Другой пример такого рода — раково-эмбриональный антиген (CEA), маркер рака толстого кишечника. О том, какие механизмы позволяют опухолевой клетке так «молодо выглядеть» на молекулярном уровне, мы поговорим дальше.

 ФАКТ: одним из самых информативных онкомаркеров на сегодняшний день является простатический специфический антиген (PSA). Высокий уровень этого белка в сыворотке крови дает основание заподозрить наличие рака простаты на ранних стадиях, когда заболевание протекает бессимптомно, поэтому во многих странах, включая Россию, мужчинам старше 45 лет рекомендовано ежегодное проведение этого анализа.

Лирическое отступление

История HeLa

В 1951 году в больнице Хопкинса в США умирала от рака матки молодая темнокожая женщина. Хотя при жизни никто не назвал бы Генриетту Лакс выдающимся человеком, смертельная болезнь оказалась для нее шагом в научное бессмертие. Во время операции у Генриетты взяли кусочек опухолевой ткани для анализа. В то время в госпитале (а крупные госпитали в Америке традиционно не только лечебные заведения, но и центры медицинской науки) работал доктор Джордж Гай, страстно увлеченный идеей культивирования клеток в искусственных лабораторных средах (вне организма). Однако то ли из-за недостатков питательной среды, то ли еще по каким-то причинам все эти клетки (включая раковые) в пробирках погибали уже через несколько дней. Джордж Гай не сдавался — он добавлял в среду все новые ингредиенты, включая пуповинную кровь и пюре из зародышей телят (похоже на рецепты средневековых колдовских зелий, не так ли?). Он даже изобрел специальную машину для вращения пробирок, в которых культивируются ткани (более совершенные аналоги этого приспособления до сих пор используют в лабораториях). Движение жидкой среды в крутящихся пробирках должно было имитировать естественный ток питательных жидкостей в живом организме. Однако и это остроумное изобретение не смогло существенно продлить жизнь клеткам. Проба Генриетты Лакс была одной из десятков и сотен среди тех, которые Джордж Гай пытался культивировать в своей системе. Однако в этом случае впервые за долгие годы его ожидал успех.

Клетки Генриетты не погибли ни через несколько дней, ни через месяц, как это было со всеми предыдущими образцами. Они делились, удваивая свое количество каждые 24 часа. Эта культура, названная аббревиатурой из первых букв имени и фамилии пациентки HeLa, стала первой действительно бессмертной культурой человеческих клеток. На сегодняшний день общее ее количество в разных биологических и медицинских лабораториях по всему миру измеряется десятками тонн. Хотя с тех пор искусство культивирования тканей шагнуло далеко вперед и ученым удалось получить множество качественных клеточных линий, HeLa продолжает оставаться одним из излюбленных научных объектов. Именно появление стандартных (генетически однородных) клеточных линий сделало современную молекулярную биологию действительно точной наукой. До этого любой биологический образец был лишь приблизительно похож на другой, и в случае несовпадения результатов в двух лабораториях, работавших, скажем, с клетками печени человека, можно было лишь гадать, идет ли речь об ошибке одной из исследовательских групп, или же клетки двух пациентов действительно обладают неодинаковыми свойствами в силу разного генетического происхождения.

Бессмертные культуры клеток сделали биологический эксперимент повторяемым и воспроизводимым. По крайней мере, так считалось до недавнего времени. Исследования последних лет показали, что раковые линии продолжают эволюционировать и «в пробирке», накапливая новые мутации. Поэтому через несколько лет после разделения и выращивания в разных лабораториях их уже нельзя считать полностью тождественными друг другу. Однако в любом случае это лучшее, чем мы располагаем на сегодняшний день.

При участии культуры HeLa разработано множество вакцин, включая американскую вакцину против полиомиелита (советская была получена другим способом), остановившую распространение этой страшной болезни в Западном полушарии. Она внесла и продолжает вносить неоценимый вклад в изучение рака и поиск новых лекарств против него. Правда, есть у этой клеточной линии и свои недостатки, являющиеся оборотной стороной ее достоинств. Клетки HeLa настолько устойчивы и неприхотливы, что с легкостью вытесняют любые другие (в том числе и раковые) при выращивании в искусственных средах. Первый скандал по этому поводу возник еще в 1970-х годах, когда внезапно выяснилось, что в американской коллекции клеточных культур (ATCC) множество линий, выращенных первоначально из клеток разных пациентов, внезапно оказались клетками HeLa. И хотя с тех пор было принято множество мер для предотвращения подобных массовых «заражений», проблема полностью не решена и по сей день.

Cама Генриетта умерла, так и не узнав, какую воистину прорывную роль в мировой науке суждено было сыграть клеткам, извлеченным из ее тела, хотя первые научные результаты с HeLa получили еще при ее жизни. Стандарты информированного согласия пациентов на манипуляции со взятыми у них образцами в то время еще не были приняты. Тем более что речь шла не о белой даме из высшего общества, а о бедной необразованной негритянке. Никто не счел нужным поставить ее в известность о необыкновенном успехе взятых у нее клеток. И хотя благодаря НеLa фармацевтические компании заработали миллионы, если не миллиарды, долларов, ни сама Генриетта, ни ее потомки (у нее осталось несколько детей) не получили из этих денег ни гроша. Так что в конечном счете, как это часто бывает с человеческими историями, трудно сказать, какой у этой истории конец — счастливый или несчастливый…