Команда проекта THYMUS продолжила своё движение вперед и хочет познакомит Вас с материалом о ТЕЛОМЕРАЗЕ.

Итак.
Механизмы старения в теориях, гипотезах и просто исследованиях, которых более 300:

• Свободнорадикальная теория Хармана о влиянии изменении количества свободных радикалов с возрастом
• Теломеразная теория об укорачивании теломераз при делении клеток
• Холестериновая теория о влиянии накопления холестерина с возрастом
• Теория Гормезиса об антистарении
• Теория Мечникова И.И. о влиянии аутоинтоксикации свободных радикалов
• Теломеразная теория старения по А.М. Оловникову
• Теория о накоплении иммунологических повреждений
• Теория эндогенной интоксикации
• Теория гликации Мейларда
• Теория о существовании "гена старения"
• Теория генетической предопределенности Хайфлика
• Аутоиммунная теория
• Теория накопления
• Теория соматических мутаций
• Адаптационно-регуляторная теория

" Американским биохимиком и геронтологом Л.Хейфликом (Hayflick L.) в 1961 году были опубликованы исследования по продолжительности жизни фибробластов человека in vitro. Было установлено, что клетки могут делиться (а значит и самообновляться) не более 50 раз. Это явление названо лимитом Хейфлика. Сам ученый не смог предложить достаточно обоснованного объяснения обнаруженному явлению. Позднее, в 1971 году научный сотрудник Института биохимической физики РАН А.М. Оловников, используя данные о принципах синтеза ДНК в клетках, предложил гипотезу, по которой «предел Хейфлика» объясняется тем, что при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки – теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться. Тогда она постепенно теряет жизнеспособность – именно в этом, согласно теломерной теории, и состоит старение клеток.

Некоторые же клетки способны делиться постоянно. Например, половые клетки. Известны культуры раковых клеток, продолжающих свое деление на протяжении более сотни лет. Это явление нашло объяснение в 1985 году, когда был обнаружен фермент, позволяющий восстанавливать редуцированный участок ДНК — теломераза. Это открытие, в свою очередь, подтвердило теломеразную теорию старения.

Также было установлено, что предел в 50-80 делений человеческие клетки должны исчерпать за приблизительное время в 120 лет, однако в большинстве случаев мы этого не видим, и к концу жизни организма, теломеры укорочены, как если бы клетка делилась именно 60 раз. Это объясняется тем, что теломеры укорачиваются не равномерно. Использовав регрессионный анализ данных о скорости укорочения теломер в клетках человека из 15 различных тканей и органов, (Takubo et al. 2002) установили, что они в среднем укорачиваются на 20-60 пар оснований в год.

Длина теломер не имеет отчетливой корреляции со временем обновления клеток in vivo и скорее является индивидуальной характеристикой.

Теломераза - возможно и есть тот ключ к воротам бессмертия. Но существуют клетки, в которых теломеразная активность резко повышена и клетки продолжают делиться — раковые клетки.

Проблема старения организма и продления жизни человека является одной из важнейших тем. Изучение механизмов старения человеческого организма остается крайне актуальной проблемой и в настоящее время. Укажем лишь на один демографический показатель: к началу XXI века в развитых странах доля населения, достигшего возраста 65 лет и более составляет 10-14%. По имеющимся прогнозам через 20 лет этот показатель удвоится. Старение населения ставит перед современной медициной множество пока еще не решенных задач, в том числе - и задачу по продлению жизни в состоянии активной старости на значительный промежуток времени. Решать эту грандиозную задачу, не имея представления о механизмах старения организма, не возможно. Мы остановимся лишь на обсуждении механизмов старения клеток, причем тех из них, которые детерминированы генетически, то есть, присущи организму человека от его рождения и до смерти.

Лимит Хейфлика

В 1961 году американский цитолог Леонард Хейфлик провел совместно с другим ученым П. Мурхедом эксперименты по культивации фибробластов человеческих эмбрионов. Эти исследователи помещали в питательную среду отдельные клетки (перед инкубацией ткань обрабатывалась трипсинов, благодаря чему ткань диссоциировалась на отдельные клетки). Кроме того, Л. Хейфлик и П. Мурхед применяли в качестве питательной среды раствор аминокислот, солей и некоторых других низкомолекулярных компонентов.

В культуре ткани начиналось деление фибробластов, и когда клеточный слой достигал определенного размера, его делили пополам, вновь обрабатывали трипсином и переносили в новый сосуд. Подобные пассажи продолжались до тех пор, пока деление клеток не прекращалось. Регулярно это явление наступало после 50 делений. Переставшие делиться клетки через некоторое время погибали. Опыты Л. Хейфлика и П. Мурхеда были многократно повторены в самых различных лабораториях во многих странах мира. Во всех случаях результат был один и тот же: делящиеся клетки (причем не только фибробласты, но и другие соматические клетки) прекращали свое деление после 50-60 пересевов.

Критическое число делений соматических клеток получило название «лимита Хейфлика». Интересно, что для соматических клеток различных видов позвоночных животных лимит Хейфлика оказался различным и коррелировался с продолжительностью жизни этих организмов.

В 1971 году русский ученый А.М. Оловников, обобщив свои наблюдения и эксперименты, пришел к выводу, что при репликации хромосом их концевые участки (теломеры) с каждым делением клетки укорачиваются и при достижении определенного предела репликация хромосом в соматических клетках прекращается, клетки перестают делиться и начинается процесс их старения, заканчивающийся гибелью клетки.

В 1985 году Грейдер и Блэкборн обнаружили и описали клеточный фермент - теломеразу. Механизм действия теломеразы - это повторяющееся кодирование с помощью РНК-матрицы, входящей в состав теломеразы, новых нуклеотидных последовательностей теломеры и, таким образом, восстановление ее исходной длины.

Теломеразная теория старения по А.М. Оловникову: «В соматических клетках человека число нуклеотидных последовательностей (н.п.) в теломере достигает 10-15 тысяч. При укорочении теломеры на 2-3 тыс. н.п. репликация ДНК прекращается, и клетка перестает делиться. То есть, клетка достигает «лимита Хейфлика».

Теломера. Теломераза

Теломера - это участок хромосомы, локализованный на ее конце. Линейные хромосомы имеют по две теломеры. Теломера содержит специальные последовательности ДНК (нуклеотидные последовательности), обеспечивающие точную репликацию хромосом. Для теломерных участков хромосом характерна значительная гетерогенность в разных клетках и тканях даже одного органа. При каждом делении клетки длина теломеры укорачивается на определенное число нуклеотидных последовательностей. При достижении некоего предела укорочения теломеры репликация хромосом прекращается, и клетка перестает делиться.

Теломераза - фермент (белок), основная функция которого достраивать новые нуклеотидные последовательности в теломерных участках хромосом. Теломераза несет собственную РНК-матрицу, и поэтому относится к классу обратных транскриптаз. В соматических клетках ген теломеразы на протяжении всей жизни клеток остается не активным. Он активен только в половых клетках, в стволовых клетках, а также в соматических клетках, подвергнувшихся малегнизации. Именно поэтому эти клетки носят название «иммортализированные», то есть - бессмертные.

Итак, основное назначение теломеразы -- синтезировать повторяющиеся сегменты ДНК, из которых состоит G-цепь теломерной ДНК. Таким образом, она относится к классу ДНК-полимераз, причем оказалось, что теломераза -- это РНК-зависимая ДНК-полимераза или обратная транскриптаза. Ферменты этого класса, синтезирующие ДНК на РНК-матрицах, очень хорошо известны молекулярным биологам. Они закодированы и содержатся в ретровирусах (например, в вирусе иммунодефицита человека, вызывающем заболевание СПИДом) и служат для синтеза ДНК-копий их геномов, который в ретровирусе представлен РНК. В клеточном геноме обратные транскриптазы закодированы в ретротранспозонах.

РНК, используемая теломеразой для синтеза теломерной ДНК в качестве матрицы, входит в состав этого фермента. В этом уникальность теломеразы: на сегодня это единственная известная РНК-содержащая обратная транскриптаза.
Теломеразные РНК у разных организмов сильно различаются по длине и структуре. Теломеразы простейших содержат РНК длиной в 150--200 нуклеотидных остатков (н.о.), длина теломеразной РНК человека -- 450 н.о., в то время как теломераза дрожжей содержит аномально длинную РНК (около 1300 н. о.).

Матричный участок представлен в теломеразной РНК только один раз. Его длина не превышает длину двух повторов в теломерной ДНК, которые он кодирует и которым он комплементарен.

Так как теломераза синтезирует сегменты ДНК, повторяющиеся много раз, используя только один сегмент своей РНК, она должна обладать способностью периодически (после завершения синтеза каждого повтора) перемещать (транслоцировать) матричный участок в район 3'-конца синтезируемой теломерной ДНК. Источником энергии для такого перемещения, по-видимому, служит сама реакция синтеза цепи теломерной ДНК, поскольку дезоксинуклеозидтрифосфаты -- субстраты этой реакции -- высокоэнергетические вещества.

На первой стадии теломераза находит 3'-конец теломерной ДНК, с которым часть матричного участка теломеразной РНК образует комплементарный комплекс. При этом теломераза использует 3'-конец хромосомной ДНК в качестве праймера.
Далее наступает очередь РНК-зависимой ДНК-полимеразной активности теломеразы. Она обеспечивается специальной субъединицей теломеразы, которая по устройству своего каталитического центра во многом сходна с обратными транскриптазами ретровирусов и ретротранспозонов.
Когда синтез ДНК-повтора заканчивается, происходит транслокация, то есть перемещение матрицы и белковых субъединиц фермента на заново синтезированный конец теломерной ДНК, и весь цикл повторяется вновь.

Это схематичное представление является весьма условным, так как для построения теломер требуется еще много субъединиц, например, отвечающих за нахождение 3'-конца ДНК, или субъединицы, отвечающие за транслокацию, и т.д.

Рассмотрим данные о длине теломерной ДНК и активности теломеразы в различных клетках человека, приведенные в таблице.

Высокая теломеразная активность наблюдается в половых клетках человека в течение всей его жизни. Соответственно их теломеры состоят из наибольшего числа ДНК-повторов и содержат все необходимые белки для нормальной репликации клеток.

Аналогичная ситуация наблюдается и для стволовых клеток, которые делятся неограниченно долго. Однако у стволовой клетки всегда есть возможность дать две дочерние клетки, одна из которых останется стволовой ("бессмертной"), а другая вступит в процесс дифференцировки. Благодаря этому стволовые клетки служат постоянным источником разнообразных клеток организма. Например, стволовые клетки костного мозга дают начало гемопоэзу -- процессу образования клеток крови, а из базальных клеток эпидермиса происходят разнообразные клетки кожного покрова.

Как только потомки половых или стволовых клеток начинают дифференцироваться, активность теломеразы падает и их теломеры начинают укорачиваться. В клетках, дифференцировка которых завершена, активность теломеразы падает до нуля, и с каждым клеточным делением они с неизбежностью приближаются к состоянию сенесенса (перестают делиться). Вслед за этим наступает кризис, и большинство клеток погибают (рис. 7). Эта картина характерна для подавляющего большинства известных культур клеток эукариот. Однако и здесь есть редкие, но важные исключения: теломеразная активность обнаруживается в таких "смертных" клетках, как макрофаги и лейкоциты.

В настоящее время теломеразная теория старения клеток считается экспериментально доказанной.


Приведем некоторые доводы в пользу этого утверждения.

1. Фибробласты эмбриона человека, прошедшие в культуре ткани определенное число делений (например, 30) и замороженные на длительное время, после размораживание делятся не более 20 раз и, достигнув лимита Хейфлика, прекращают деление и погибают.

2. Соматические клетки, взятые у животных одного вида, но разного возраста, достигают лимита Хейфлика в разное время. Чем старше животное, тем меньшее количество делений совершают клетки.

3. Теломеры соматических клеток больных синдромами наследственной прогерии (синдром Хатчинсона-Гилфорда и синдром Вернера) при каждом делении укорачиваются на большее число н. п., чем клетки здорового организма.

4. Ген теломеразы, введенный в культуру соматических клеток, увеличивает лимит Хейфлика на 20--30 делений.

5. Теломеры половых клеток при их делении не укорачиваются, но даже могут удлиняться. В половых клетках ген теломеразы активен и в них идет постоянное образование теломеразы.

6. Ген теломеразы активен и в опухолевых клетках. Теломераза является маркером опухолевого процесса.

7. Введение в культуру опухолевых клеток веществ, блокирующих или разрушающих теломеразу, приводит к остановке безудержного размножения этих клеток.


С другой стороны, есть экспериментальные данные, которые в определенной степени противоречат теломеразной теории старения клеток, а именно:

1. В организме человека и животных имеются неделящиеся клетки, срок жизни которых сравним со сроком жизни макроорганизма (например, нейроны головного мозга). Их гибель не обусловлена достижением «лимита Хейфлика».

2. Заражение клеток вирусом SV40 приводит к тому, что они способны совершать по 20--40 делений сверх «лимита Хейфлика». Однако в этих клетках отсутствует теломераза и в них продолжается укорочение теломер.

3. В некоторых случаях введение в клетку активного гена теломеразы (например, в клетки молочной железы) приводит к удлинению теломер, но не сопровождается увеличением лимита Хейфлика.

4. Помимо укорочения теломер в соматических клетках наблюдается и много других изменений ДНК. Например, увеличение числа разрывов в цепях ДНК, усиление прочности связывания белков с ДНК, снижение активности ферментов репарации ДНК и др. В результате этих процессов, несмотря на то, что теломеры еще не достигли критического укорочения, в клетке включаются механизмы блокады митотического цикла, она перестает делиться и погибает.


Функция старения клеток и организма в целом является, несомненно, очень важным фактором прогрессивного развития всех живых организмов на земле. Сама функция старения обеспечивается многими системами и механизмами. Такой параллелизм повышает вероятность выполнения этой функции. Неслучайно, что получить линию бессмертных клеток можно, только преодолев противодействие как минимум трёх генетических механизмов, о которых было написано в этом реферате. В организме таких барьеров, конечно же, больше. Однако, как сказал академик Скулачёв, "сам факт, что их число должно быть конечным, может вселить оптимизм в души борцов за человеческое бессмертие"."

Список литературы:

1. Егоров Е.Е. Роль теломер и теломеразы в процессах клеточного старения и канцерогенеза. // Дисс. д-ра биол. наук, М., 2003.

2. Анисимов В.Н. (2008). Молекулярные и физиологические механизмы старения. Сп.-Б.: «Наука».

3. Фаллер В.М., Шилдс Д. (2006). Молекулярная биология клетки. М.: «Бином-Пресс».

Спасибо. На сегодня всё.



С уважением к Вам
Научный руководитель команды проекта THYMUS
Крылов Руслан

Пишите мне: coor.spb@gmail.com