Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Итак, концевые участки наших хромосом в значительной степени полагаются на мусорную ДНК, геномный материал, не кодирующий белки. Сами по себе теломеры можно счесть генетическим мусором. Чтобы поддерживать их существование, клетка использует ген, который служит для выработки РНК, однако никогда не используется как матрица для синтеза белка. Причем РНК сама по себе — молекула, выполняющая жизненно важные функции в человеческом организме[10],9.

Но если наши клетки снабжены механизмом для поддержания длины теломер (при помощи теломеразной системы), почему же теломеры все-таки постепенно укорачиваются? Почему эта система не работает как надо, что в ней не так?

Возможно, причина коренится в том факте, что существует вообще очень мало биологических систем, способных хорошо работать без контроля. Теломеразная активность в наших клетках подвергается весьма жесткому контролю. Патологическое исключение — раковые клетки. Зачастую они в результате адаптации проявляют высокую теломеразную активность и имеют удлиненные теломеры. Это один из факторов, приводящих к агрессивному росту и чрезмерному размножению клеток многих злокачественных опухолей. Вероятно, наши клеточные системы достигли своего рода эволюционного компромисса. Длина теломер поддерживается на уровне, необходимом для того, чтобы мы прожили достаточно долго и успели размножиться (а дальше уже неважно, если рассуждать с точки зрения эволюции). Однако теломеры не слишком длинны: при чрезмерной их протяженности люди массово умирали бы от рака уже в раннем возрасте.

Базовая длина теломеры для конкретного человека задается на сравнительно раннем этапе его развития, в тот момент, когда происходит так называемый нехарактерный всплеск теломеразной активности10. Теломеразная активность также высока в зародышевых (половых) клетках, которые порождают яйцеклетки и сперматозоиды11. Оно и понятно: наше потомство должно унаследовать от нас теломеры приличной длины.

Во многих тканях человеческого организма содержатся так называемые стволовые клетки. При необходимости они производят замену для клеток. Когда требуются новые клетки, стволовая клетка копирует свою ДНК и затем распределяет ее между двумя дочерними клетками. Одна из этих дочерних клеток обычно в ходе своего развития становится полнофункциональной клеткой-заменой, а другая — новой стволовой клеткой, которая точно таким же образом может создавать замены.

Среди наиболее «занятых» разновидностей клеток человеческого организма — тип стволовых клеток, порождающий все клетки крови[11], в том числе красные кровяные тельца (эритроциты) и те клетки, которые борются с инфекцией. Такие стволовые клетки размножаются с невероятной скоростью. Это происходит из-за того, что нам постоянно требуется восполнять запас иммунных клеток, противостоящих инородным патогенам, которые встречаются нам каждый день. Нужно постоянно пополнять и запас красных кровяных телец: их средняя продолжительность жизни невелика — примерно 4 месяца. Человеческий организм каждую секунду вырабатывает примерно по 2 миллиона эритроцитов12: фантастическая производительность. Для этого требуется чрезвычайно активная популяция стволовых клеток, практически постоянно находящаяся в состоянии деления. Теломеразная активность в этих стволовых клетках повышена, но в конце концов и они страдают от укорачивания теломер13,14. Вот почему пожилые люди сильнее подвержены риску инфекций, чем более молодые взрослые. В сущности, у стариков просто становится всё меньше иммунных клеток. В этом одна из причин, по которым онкологические заболевания так распространены среди пожилых людей. Обычно наша иммунная система хорошо справляется с разрушением аномальных клеток, но эффективность отслеживания нарушений падает по мере уменьшения числа стволовых клеток.

Почему же все-таки длина наших теломер так важна? Это ведь всего-навсего мусорная ДНК. Какая разница, сколько будет копий некодирующего фрагмента ТТАГГГ — несколько тысяч или всего несколько сотен? По-видимому, проблема здесь заключается во взаимосвязи между ДНК теломер и белковыми комплексами, которые соединены с этой ДНК. Если количество повторов теломерной ДНК-последовательности уменьшится, перейдя за критический уровень, конец хромосомы не сможет связываться с достаточным количеством защитных белков. Мы уже видели, к чему приводит нехватка таких белков у мышей: в частности, бедняги могут умирать еще до рождения.

Ну да, это крайний случай. Однако нет никаких сомнений: жизненно необходимо, чтобы теломеры обладали достаточной длиной, позволяющей им связываться с большим количеством защитных белковых комплексов. Мы знаем, что для человека это верно так же, как и для мыши. Оказалось, что существуют люди, унаследовавшие мутации определенных ключевых компонентов систем организма, которые поддерживают нужную длину теломер. Наблюдаемые эффекты не столь разительны, как у генетически модифицированных мышей, но это лишь потому, что эмбрионы, серьезно затронутые такими мутациями, обычно гибнут еще в утробе матери. Однако те мутации, о которых нам известно, приводят к возникновению симптомов заболеваний, связанных с возрастом.

Теломеры и болезни

Речь идет о заболеваниях, причиной которых служат главным образом мутации теломеразного гена, или гена, кодирующего РНК-матрицу, или генов, кодирующих белки, которые защищают теломеры, или гена, который помогает теломеразной системе эффективно работать[12].

В сущности, мутации в любом из этих генов могут приводить к сходным эффектам. Главным образом они мешают клеткам поддерживать свои теломеры в нужном состоянии. Поэтому теломеры у пациентов с такими мутациями укорачиваются быстрее, чем у здоровых людей. Вот почему такие пациенты демонстрируют симптомы преждевременного старения. Такие заболевания называются теломерными синдромами человека15.

Врожденный дискератоз — редкое генетическое заболевание, поражающее примерно одного человека на миллион. Пациенты страдают от целого ряда проблем. На коже у них в непредсказуемых местах появляются темные пятна. Во рту возникают пятна белого цвета, которые могут приводить к развитию рака ротовой полости. Ногти на руках и на ногах становятся тонкими и хрупкими. А потом отказывают различные органы, и этот процесс кажется необратимым. Он начинается с дисфункции костного мозга и неполадок в легких. Общий риск возникновения онкологических заболеваний у них также повышен.

При исследовании нескольких семейств, которых коснулся этот недуг, ученые выяснили, что причина заболевания — мутации различных генов. В настоящее время выявлено по меньшей мере 8 таких мутантных генов. Вполне возможно, что на самом деле их еще больше16. Все эти гены обладают одним общим свойством: они участвуют в процессах поддержания нормального существования теломер. А значит, как бы ни искажалась эта область мусорной ДНК, симптомы все равно обычно будут схожи.

Совокупность легочных проблем, возникающих в таких случаях, называют пневмофиброзом. Для пациентов, страдающих этим заболеванием, характерно «короткое дыхание», они много кашляют, поскольку их организм не в состоянии с должной эффективностью выводить углекислый газ из легких и с должной легкостью наполнять их кислородом. Рассматривая их легкие под микроскопом, патологи увидели обширные области, где нормальную ткань заменила воспаленная и фиброзная, напоминающая по своей структуре шрам17.

Такая клиническая и патологическая картина легких довольно часто наблюдается при респираторных заболеваниях. Это побудило ученых обратиться к изучению проб биологического материала пациентов, страдающих идиопатическим пневмофиброзом. Слово «идиопатический» означает, что для заболевания пока не выявлено очевидной причины. Исследователи проверили, нет ли у этих пациентов дефектов генов, которые обеспечивают синтез веществ, защищающих теломеры. В среднем дефекты соответствующих генов удалось выявить почти у каждого шестого пациента, в семье которого страдали этим заболеванием, но мутаций прежде не обнаруживали18,19. Даже у пациентов, в семье которых, по-видимому, не страдали пневмофиброзом, мутации теломерных генов обнаружились в 1-3% случаев20,21. В США около 100 тысяч человек страдают идиопатическим пневмофиброзом, так что, по самым осторожным оценкам, примерно 15 тысяч из них, вероятно, заработали эту болезнь из-за того, что их организм не мог поддерживать тело-меры в нормальном состоянии.

Дефекты в механизме, который защищает теломеры, могут становиться причиной еще одного заболевания. Речь идет об апластической анемии — болезни, при которой костный мозг перестает вырабатывать достаточное количество клеток крови22. Это редкий недуг, им страдает примерно 1 человек на полмиллиона. И примерно у 1 из 20 больных наблюдаются мутации фермента теломеразы или соответствующей РНК-матрицы.