Геном: автобиография вида в 23 главах - Мэтт Ридли

История началась в 1972 году с подачи одного из первооткрывателей структуры ДНК — Джеймса Уотсона (James Watson). Уотсон заметил, что белковая машина копирования ДНК, называемая полимеразой, не может начать считывание ДНК с самого начала. Молекуле полимеразы сначала нужно прикрепиться к цепи ДНК, в результате какая-то часть нуклеотидов оказывается за активным центром полимеразы и не копируется. Каждый раз скопированный текст становится чуть короче оригинала. Представьте себе копировальную машину, которая обеспечивает идеальное качество, но всегда начинает копирование текста со второй строки и заканчивает на предпоследней строке. Единственный способ справиться с такой ненормальной машиной — это заполнить первую и последнюю строки бессмысленными повторами букв, которые не жалко потерять. Именно так и поступают хромосомы. Каждая хромосома представляет собой длинную страницу текста, который копируется полимеразой полностью, за исключением самого начала и самого конца. Поэтому на своих концах хромосомы содержат бессмысленный текст более чем из тысячи повторов «фразы» TTAGGG. Эти повторяющиеся фрагменты ДНК называются теломерами. Благодаря наличию теломер на концах хромосомы неуклюжесть полимеразы не приводит к потере жизненно важной информации. Как металлический наконечник на конце шнурка, теломеры предохраняют хромосому от изнашивания.

Но каждый раз после копирования хромосомы число теломер на концах уменьшается. После снятия сотни копий хромосома становится настолько короткой, что под угрозой оказываются важные гены. В среднем теломерные концы хромосомы уменьшаются на 31 «букву» в год, но в тканях с высокой скоростью деления концы хромосом «сгорают» значительно быстрее. Вот почему клетки стареют и умирают к определенному возрасту. Возможно, по этой же причине стареет и наше тело, хотя по данному вопросу между учеными продолжаются жаркие споры. К восьмидесяти годам на концах хромосом остается в среднем 5/8 от числа теломер, которые были при рождении[131].

Но почему гены не теряются в яйцеклетках и сперматозоидах, прародителях всех остальных клеток организма? В этих клетках неустанно работает теломераза, наращивания горящие концы хромосомы за счет добавления новых теломер. Теломераза, обнаруженная в 1984 году Кэролом Грейдером (Carol Greider) и Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn), оказалась затейливым созданием. Это соединение содержит в себе молекулу РНК, которая используется в качестве шаблона для копирования теломер, а сам белок очень напоминает уже известную вам обратную транскриптазу, благодаря которой ретровирусы и транспозоны приумножают свое число (см. главу 9). Одни считают теломеразу предшественницей всех ретровирусов и транспозонов, исходной системой копирования РНК в ДНК. Другие рассматривают теломеразу как реликт РНК-овой эпохи жизни на Земле — первый организм, в основе которого лежал комплекс из молекул РНК и белка[132].

Еще следует отметить одну интересную особенность: «фраза» TTAGGG, которая повторяется несколько тысяч раз на концах хромосом, совершенно одинакова у всех млекопитающих. Более того, она одинакова у всех животных и грибов, начиная от простейшей трипаносомы, вызывающей сонную болезнь, или плесени Neurospora. У растений эта «фраза» отличается лишь дополнительной буквой T в начале: TTTAGGG. Совпадение не случайно. Теломераза использовалась еще у самых древних организмов, и шаблонная РНК с тех пор почти не изменилась. Интересный факт, у реснитчатых простейших — шустрых инфузорий, покрытых пропеллерами ресничек, — для теломеразы используется несколько иной текст: TTTTGGGG или TTGGGG. Другая особенность реснитчатых простейших состоит в варьировании генетического кода, постоянного для всех остальных организмов. Все больше накапливается данных, свидетельствующих, что инфузории выпадают из общего ствола жизни. Мое личное мнение состоит в том, что они произошли от самых первых форм жизни, возможно, еще до появления бактерий. Вполне вероятно, что инфузории являются живыми ископаемыми, произошедшими непосредственно от Луки — общего предка всех живых организмов. Хотя, соглашусь, за этой версией пока нет экспериментально подтвержденных фактов[133].

Как это не иронично, но теломераза была выделена и хорошо изучена не у человека, а как раз у инфузорий. Нам до сих пор не известно, какие белки объединяются вместе в составе теломеразы у человека. Вполне вероятно, что теломераза млекопитающих может сильно отличаться от теломеразы инфузорий. Некоторые скептики называют теломеразу «мифическим ферментом», поскольку ее так трудно выделить из клеток человека. У инфузорий, хранящих свои гены на тысячах маленьких хромосом, на концах каждой из которых расположены теломеразы, выделить этот фермент значительно проще. Ген теломеразы млекопитающих был впервые найден канадскими учеными в базе данных генов мыши но аналогии с геном инфузорий. Затем уже похожий ген был обнаружен в геноме человека. Группа японских ученых определила место гена теломеразы на хромосоме 14. Гену было присвоено имя TEP1, что означает первый теломеразный белок (first telomerase-associated protein). Хотя этот белок действительно является необходимой составной частью теломеразы, похоже, что обратная транскриптазная активность восстановления концов хромосом связана не с ним. Уже найден подходящий кандидат на эту роль, но нахождение гена на хромосомах человека на момент написания этой книги еще не было установлено[134].

Сейчас уже известны все гены теломеразы у человека: TEP1, TER (template-containing telomerase RNA — шаблонная РНК теломеразы) и TERT (telomerase reverse transcriptase — обратная транскриптаза теломеразы), а также регуляция этих генов у эмбрионов и в раковых клетках (Cong Y. S. et al. 2002. Human telomerase and its regulation. Microbiology and Molecular Biology Reviews 66: 407–425).

Среди всех прочих генов гены теломеразы в наибольшей степени подходят под определение «гены молодости». Теломераза является настоящим эликсиром вечной жизни для клеток. Исследователь Кол Харли (Cal Harley), который впервые установил факт укорачивания теломеразных хвостов у хромосом при делении, основал свою компанию Geron Corporation, основной целью которой стало изучение теломеразы. В августе 1997 года мир облетела новость, что в Geron удалось клонировать часть теломеразы. Цена акций компании сразу удвоилась, не столько из-за ожиданий, что это открытие принесет нам вечную молодость, сколько из-за того, что изучение теломеразы открывает перед нами новые перспективы в борьбе с раком. Раковые клетки не могут жить без теломеразы.

Исследователи компании Geron продолжили работу по созданию бессмертных клеток с помощью теломеразы. В одном из экспериментов были взяты две лабораторные культуры клеток, в которых отсутствовал ген теломеразы. Внедрение этого гена в клетки вело к тому, что они становились способными делиться бесконечно, не теряя своей молодости, тогда как контрольные культуры клеток давно умерли. К моменту написания этой книги срок жизни клеток с теломеразой уже в 20 раз больше срока, отведенного им природой, и нет ни малейших признаков уменьшения скорости их деления[135].

В организме человека ген теломеразы выключен во всех тканях за редким исключением, но этот ген активно работает в организме эмбриона. С момента выключения гена теломеразы жизнь человека «ставится на стрелку». С этого времени длина теломер на концах хромосом отмеряет число делений в клетках разных тканей, и в определенный момент укорачивание хромосом с концов достигает предела, за которым следует смерть клеток. У микробов никогда не включается отсчет числа делений, поскольку ген теломеразы никогда не выключается. В злокачественных раковых клетках этот ген включается повторно. В линии мышиных клеток с целенаправленно разрушенным одним из генов теломеразы теломеры на концах хромосом прогрессивно укорачивались[136].

Под микробами Ридли, вероятно, подразумевает простейших. В клетках бактерий нет теломеразы, поскольку у кольцевых бактериальных хромосом нет концов, и процесс копирования происходит без потери данных. Даже в тех редких случаях, когда у бактерий встречаются линейные хромосомы (например, у Agrobacterium tumefaciens), им все равно как-то удается обойтись без теломеразы.

Похоже, что отсутствие теломеразы является основной причиной, ведущей к старению и умиранию клеток. Но является ли это причиной старения и умирания всего организма? Есть одно свидетельство в пользу данного утверждения: клетки стенок артериальных сосудов обычно имеют более короткие теломеры, чем клетки стенок вен. Это отражает более напряженный рабочий ритм артерий в условиях постоянно меняющегося повышенного давления крови. Клетки артерий растягиваются и сжимаются при каждом ударе сердца, что ведет к их быстрому износу и замене новыми быстро делящимися клетками. Именно постоянное деление клеток в стенках артерий ведет к быстрому укорачиванию длины теломер и старению клеток. Вероятно, именно поэтому мы чаще страдаем от проблем с артериями, чем от проблем с венами[137].