Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Причина этого процесса — одновременный разрыв двух хромосом в одной клетке. Когда хромосома разрывается, клеточная «ремонтная аппаратура» тут же находит место разрыва и снова сшивает два куска. Обычно такой ремонт протекает довольно гладко. Но если в одно и то же время разорвутся две хромосомы (или больше), могут возникнуть проблемы. Концы хромосом могут оказаться связанными не так, как нужно (см. рис. 5.1). В результате хороший ген может оказаться в дурном обществе и стать причиной неполадок. Особенно это важно из-за того, что перекроенные таким путем хромосомы передаются всем последующим поколениям этой клетки. Возможно, самый известный пример здесь — разновидность рака крови человека, именуемая лимфомой Бёркитта. Реаранжировка здесь происходит между восьмой и четырнадцатой хромосомой. Это приводит к очень сильной сверхэкспрессии гена[7], что побуждает клетку размножаться самым агрессивным образом2.

Рис. 5.1. Вверху: одиночная хромосома претерпевает разрыв. Клеточная аппаратура чинит ее. Внизу: две хромосомы разрываются одновременно. Клеточная аппаратура может не суметь разобраться, какой хромосоме принадлежат куски. Хромосомы могут оказаться сшитыми неправильно. Так возникают гибридные хромосомные структуры.

К счастью, разрыв двух хромосом, судя по всему, довольно редко происходит одновременно. Чаще они разрываются с некоторым интервалом во времени. Поэтому клеточная аппаратура для ремонта ДНК научилась в процессе эволюции действовать весьма стремительно. В конце концов, чем быстрее она справится с разрывом, тем ниже вероятность, что в клетке одновременно будут иметь место два разрыва (или больше). Аппаратура для ремонта ДНК приходит в действие, как только клетка обнаруживает, что в ней имеется оторванный кусок ДНК. У клетки есть специальные механизмы, позволяющие ей обнаружить конец такого куска — место разрыва.

Но это порождает целый ряд новых проблем. Наша клетка содержит 46 хромосом, и все они линейны. Иными словами, в каждой нашей клетке всегда есть 92 конца хромосом (ибо у хромосомы два конца). Ремонтная аппаратура должна уметь как-то отличать совершенно нормальные концы хромосом от аномальных, появившихся в результате разрывов.

Шнурки ДНК

Для этого клетки обзавелись особыми структурами на нормальных концах хромосом. Вы носите обувь на шнуровке? Если да, то взгляните-ка на свои шнурки. На каждом конце у них небольшой колпачок из металла или пластмассы — наконечник, который мешает шнурку расплестись и растрепаться. У наших хромосом тоже есть наконечники. Эти штуковины чрезвычайно важны для поддержания целостности генома.

Хромосомные наконечники называются теломерами. Они построены из одной формы мусорной ДНК, много лет известной ученым, и комплексов различных белков. Теломерная ДНК составлена из многократных повторов одной и той же последовательности 6 пар нуклеотидов — ТТАГГГ3. На концах у каждой хромосомы, содержащейся в пуповинной крови новорожденного, имеется в среднем примерно по 10 тысяч таких нуклеотидных пар4.

Теломерная ДНК помещена в своего рода каркас из белковых комплексов, помогающих ей поддерживать структурную целостность. Термин «теломера» относится как раз к этой комбинации определенной мусорной ДНК и связанных с ней белков. Еще в 2007 году важность этих белков убедительно продемонстрировали исследователи, ставившие опыты на мышах. Они подавили экспрессию одного из таких белков, полностью деактивировав соответствующий ген, и обнаружили, что получавшиеся при этом мышиные эмбрионы гибнут уже на ранних стадиях развития[8].

Исследуя хромосомы таких генетически модифицированных мышей, ученые обнаружили, что многие хромосомы оказались сшитыми друге другом. Иными словами, они соединились концами. Дело в том, что клеточная аппаратура для ремонта ДНК утратила способность опознавать теломеры. Она сочла, что имеет дело с кучей разорванных хромосом, и выполнила работу, которую выполняет лучше всего, то есть просто сшила их. К сожалению, при этом экспрессия генов пришла в полный хаос. В конце концов функционирование хромосом и самих клеток настолько сильно нарушилось, что это привело к одной из разновидностей клеточного самоубийства[9], полностью остановив развитие организма.

Еще одно свойство теломер представляет большой интерес с точки зрения биологии и человеческого здоровья. Еще в 1960-е годы специалисты изучали, как клетки делятся в лабораторных условиях. Ученые не работали с линиями раковых клеток, поскольку те происходят от клеток, которые стали бессмертными из-за аномальных изменений. Вместо этого они изучали фибробласты — одну из разновидностей клеток, имеющуюся в целом ряде тканей человеческого организма. Фибробласты вырабатывают так называемый внеклеточный матрикс — что-то вроде толстых пастообразных обоев, которые удерживают клетки на месте. Довольно легко сделать биопсию (скажем, кожи) и выделить фибробласты. Они будут расти и делиться, образуя культуру клеток. Таким путем ученые еще довольно давно установили, что клетки в общем-то не могут делиться вечно. Рано или поздно наступает момент, когда они прекращают деление, даже если их по-прежнему снабжают всеми необходимыми питательными веществами и кислородом. Клетки не умирают, они просто перестают размножаться. Это так называемое клеточное старение5.

Позже ученые выяснили, что теломеры укорачиваются с каждым делением клетки. Всякий раз, когда одна из клеток делится, ДНК, содержащаяся в ней, копируется. Благодаря этому обе дочерние клетки наследуют 46 хромосом материнской клетки. Однако система, копирующая ДНК в хромосомах, не может добраться до самых их концов. Поэтому новые и новые циклы клеточного деления приводят к тому, что теломеры становятся всё короче и короче6.

Впрочем, это не доказывало, что укорачивание теломер — действительно причина старения клеток. Нельзя было исключить, что подобное воздействие на длину теломер служит своего рода маркером, регулирующим процесс размножения клеток, однако не играет особой роли в изменениях их поведения.

Речь идет об очень важном принципе научных исследований. Во многих ситуациях мы видим корреляцию между какими-то двумя явлениями, но из этого еще не следует, что между ними существует реальная взаимосвязь. Вот один пример. Существует четкая взаимосвязь между развитием рака легких и сосанием леденцов от кашля. Разумеется, из этого не вытекает, что сосание леденцов от кашля вызывает рак легких. Просто для многих людей один из первых симптомов рака легких — постоянный кашель. А человек, страдающий от такого кашля, наверняка будет пытаться облегчить свое положение при помощи леденцов.

Подтверждение того, что укорачивание теломер действительно приводит к клеточному старению, появилось в 1990-е годы. Ученые показали: увеличивая длину теломер в фибробластах, можно добиться того, что клетки перестанут стареть и будут жить практически вечно7.

Теперь общепризнано, что теломеры действуют как своего рода молекулярные часы, ведущие обратный отсчет по мере нашего взросления. Пока еще не все детали ясны. В этой области биологам непросто вести исследования — по целому ряду причин. Начнем с того, что в любой клетке 92 теломерных участка (по одному на каждый конец каждой хромосомы) имеют неодинаковую длину. Поэтому трудно задать какие-то стандарты длины теломеры, применимые по всей клетке, не говоря уж о стандартах, применимых для всего организма человека8. Кроме того, при исследовании взаимосвязей теломер и старения очень трудно использовать излюбленное модельное животное ученых — мышь. Дело в том, что у грызунов чрезвычайно длинные теломеры, гораздо длиннее человеческих. Как известно, средняя продолжительность жизни у грызунов гораздо меньше, чем у человека. А значит, длина теломер, по-видимому, не единственный определяющий фактор старения. Однако результаты многолетних исследований говорят: у человека теломеры играют весьма важную роль.

Забота о шнурках

Мы точно знаем одно: наши клетки не сдаются процессу старения без боя. У них есть механизмы, при помощи которых они пытаются дольше сохранять теломеры длинными и нетронутыми. Именно поэтому наши клетки проявляют так называемую теломеразную активность. Теломеразная система добавляет новые ТТАГГГ-мотивы на концы хромосом, по сути, восстанавливая важные участки мусорной ДНК, которые утрачиваются при делении клеток. Теломеразная активность требует двух компонентов. Во-первых, требуется особый фермент (теломераза), который пристраивает необходимые повторяющиеся последовательности к концам хромосом. Во-вторых, требуется кусок РНК, определенная последовательность, которая служит матрицей для фермента, чтобы тот добавлял к хромосомам нужные нуклеотидные основания.