Секреты наследственности человека - Сергей Афонькин

Разобраться в этой запутанной ситуаций в начале 60-х годах решил профессор Стенфордского университета Леонард Хапфлик. Он выделил из легкого человеческого эмбриона клетки соединительной ткани — фибробласты. Точно так же, как Каррель, он поместил их в сосуды с питательной средой. На этот раз все предосторожности были тщательно соблюдены, и новые клетки попасть в сосуды не могли. Первое время дела шли успешно, и клетки прекрасно размножались в непривычных для них условиях «Для меня эти клетки все равно, что собственные дети», — говорил он интересовавшимся его опытами журналистам.

Однако, пройдя определеннее число делений, фибробласты прекращали свой дальнейший рост. Причем число этих делений зависело от возраста донора. Фибробласты зародыша человека проделывали около 50 делений. Подобные клетки новорожденного способны были разделиться уже всего 20–30 раз. Взятые от взрослых пожилых людей едва осиливали несколько клеточных циклов. В «разновозрастных» смесях более молодые клетки всегда жили дольше, чем их «пожилые» соседи. Следовательно, списать все различия на неодинаковость условий при культивировании не удавалось. В опытах на мышах было показано, что «старые» клетки, пересаженные в тело молодой особи, омолодиться не способны и через некоторое время гибнут.

Создалось впечатление, что в клетках человека и высших позвоночных тикает своеобразный хронометр, отсчитывающий ход нашей жизни. Пока завод не кончился, клетка способна к делению. Как только деления прекращаются, наступает так называемое репликативное старение (то есть связанное с неспособностью клеток делиться). Количество же делений наших клеток, в принципе, может быть практически таким же бесконечным, как и у одноклеточных амеб. В этом убеждают постоянно размножающиеся раковые клетки, у которых подобный хронометр, возможно, сломан или отсутствует вообще. Они регулярно и бодро делятся в лабораториях в течение десятков лет и феномен старения просто игнорируют. Показательный в этом плане случай — раковые клетки HeLa, которые были получены от африканки Генриетты Ламберт (Henrietta Lambert). Она скончалась в тридцатых годах XX века в США от раковой опухоли шейки матки. С тех пор вплоть до наших дней клетки HeLa успешно продолжают делиться в десятках биологических и медицинских институтов мира.

Другой яркий пример огромных возможностей клеток противостоять бегу времени демонстрируют генеративные клетки. В самом деле: все мы происходим из одной яйцеклетки, которая образовалась в теле матери. Наши родители, в свою очередь, тоже были когда-то одной клеткой. Таким образом, можно протянуть своеобразный «генеративный вектор» назад в прошлое на два с половиной миллиарда лет назад — практически до Протерозоя. Ведь и наши рыбообразные предки рождались из чьей-то икры.

Польский писатель фантаст Станислав Лем в «Звездных дневниках Ийона Тихого» так писал по поводу феномена бессмертия половых клеток: «Как известно, умираем мы, потому что стареем, то есть телесно расшатываемся из-за потери необходимой информации: клетки со временем забывают, что надо делать, чтобы не распасться. Природа постоянно снабжает такой информацией только генеративные, то бишь родительские клетки, потому что на остальные ей начхать».

Болезни быстрого старения

Порой время работы «хронометра жизни» может резко укорачиваться. Так происходит при врожденных заболеваниях быстрого старения — прогериях (греч. pro — раньше, gerontos — старец). Наиболее трагично протекает прогерия детей, которую называют еще синдромом Хатчинсона-Гилфорда. Ребятишки с этим страшным диагнозом стремительно стареют. В среднем они едва дотягивают до 12 лет и чаще всего умирают в том, казалось бы, юном возрасте от банальных старческих инфарктов. К этому времени они и выглядят как глубокие старики — лысеют, страдают от атеросклероза и фиброза миокарда, практически полностью лишаются подкожного жирового слоя, теряют зубы… Картина мрачная. К счастью, рождаются такие дети чрезвычайно редко — с частотой один на миллион, что, Кстати, затрудняет генетический анализ причин заболевания.

Главной диагностической особенностью клеток больных с синдромом Хатчинсона-Гилфорда является резко сниженное по сравнению с нормой число Хайфлика, то есть количество удвоений, которое способны пройти клетки в культуре. При этом продолжительность времени от деления до деления их фибробластов достоверно не отличается от контроля. Другими словами, их «хронометр жизни» идет с обычной скоростью, но он заведен только на пол-оборота пружины и быстро останавливается.

Другой характерный в этом плане пример — прогерия взрослых, или синдром Вернера, описанный впервые еще в 1904 г. Страдающие им люди сначала развиваются с нормальной скоростью лет до 17–18, а потом начинают стремительно стареть. Лишь немногие дотягивают до пятидесяти, уходя из жизни глубокими стариками. У них быстро развивается широкий спектр всевозможных патологий, обычно связываемых с возрастными изменениями: атеросклероз, диабет, катаракта, различные типы доброкачественных и злокачественных опухолей.

В Японии частота этого заболевания существенно выше, чем в других станах, и достигает одного случая на сорок тысяч. В результате генетического анализа удалось выяснить, что прогерия взрослых является аутосомным рецессивным заболеванием. Это означает, что страдающий от прогерии человек является гомозиготой по рецессивному «гену старения», а его родители были гетерозиготами по этому гену. Соответственно, вероятность рождения «быстро стареющих людей» от таких пар составляет 25 %. К сожалению, быстрых и доступных тестов, способных обнаружить такой мутантный ген, пока не разработано.

Клетки больных с синдром Вернера перестают делиться в культуре обычно после 10–20 удвоений, что также указывает на некое нарушение у них нормального хода «хронометра жизни». Однако как же клетка умудряется измерять число делений, которое она уже совершила?

Блестящее предсказание

Впервые на возможный механизм работы подобного «хронометра» указал в 1971 г. в чисто теоретической статье наш соотечественник, кандидат биологических наук, сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии Академии наук СССР Алексей Матвеевич Оловников. Его идея, в двух словах, сводилась к следующему. Еще до деления клетки все ее хромосомы удваиваются. Каждая хромосома представляет собой туго смотанную длиннющую нить ДНК. Копирование ДНК осуществляется еще до ее «сматывания» в хромосому с помощью специального фермента ДНК-полимеразы.

Если несколько вольно сравнить ДНК с рельсовым путем, то этот фермент будет напоминать рельсоукладчик, который ездит по рельсам, которые сам же рядом с собой и укладывает. Пока ДНК-полимераза трудится на всем протяжении пути — все в порядке. Никаких проблем. Но как только она «доезжает» до своеобразного «тупика» — то есть, одного из двух концов молекулы ДНК, тут-то и возникает сбой. ДНК-полимераза просто не способна построить копию этих кончиков. Следовательно, при каждом делении клетки нити ее ДНК должны становиться чуть короче.

Позже это красивое открытие, сделанное, как говорят «на кончике пера» блестяще подтвердилось. Теперь предсказанное А. М. Оловниковым явление биологи называют концевой недорепликацией хромосом. В процессе образования похожей на сосиску хромосомы укороченные концы ДНК довольно логично оказываются расположенными на ее краях — теломерах (от греч. telos — конец и meros — часть). Укорачивание теломер как раз и является теми молекулярными часами, которые отсчитывают число клеточных делений. Выяснилось, что при каждом делении клетки теряют от 50 до 200 азотистых оснований на концах нитей ДНК — своеобразных «букв», из которых состоит эта макромолекула.

По счастью, в теломерах не закодированы важные для клетки белки. Теломеры состоят из одинаковых уныло повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Причем последовательности эти практически одинаковы у самых разных организмов: инфузорий, земноводных, пресмыкающихся и птиц. Длина теломер указывает на количество делений, которые еще может осуществить клетка. Как только теломеры в результате пройденных циклов копирования хромосом достигают некой критической длины, клетка перестает делиться — наступает репликативное старение.

Клетки детей, страдающих прогерией Хатчинсона-Гилфорда, имеют укороченные теломеры. Именно этим объясняется раннее наступление старости у этих больных. Теломеры же их родителей нормальной длины. Это означает, что синдром Хатчинсона-Гилфорда является результатом какой-то редкой мутации, возникающей в одной из самых первых клеток зародыша. Теломеры хромосом у больных с синдромом Вернера обычные, но, судя по всему, «точка остановки клеточного деления» у них находится, в среднем, ближе к краю хромосомы, чем у здоровых людей.