Концевые участки хромосом эукариот называются теломерами. Теломеры – индикатор биологического возраста. Учёные приблизились к разгадке тайны вечной молодости. Что такое теломеры

Все мы знаем свой хронологический возраст - тот , о котором говорит паспорт. Но при этом замечаем, что далеко не все выглядят на свои года - кто-то моложе, а кто-то - старше. Тут уже дело в возрасте биологическом, который уж точно не определить по дате рождения. Он говорит не только о внешней свежести, но и о " молодости" наших органов, жизненно важных систем, клеток. Биологический возраст - это свидетельство нашего рационального (или наоборот ) использования генетической программы. А вот " записана" она в теломерах клетки, о которых нам сегодня предстоит узнать много интересного.

Что такое теломера?

Слово произошло от сочетания др.- греч. τέλος - " конец" и μέρος - " часть" . Теломера - это концевая область ДНК, которую визуально можно сравнить с пластиковым наконечником шнурков. Главные отличительные черты этого участка - выполнение защитной функции и неимение способности к соединению с другими хромосомами либо их фрагментами.

Как мы знаем, ДНК клетки человека насчитывает 23 хромосомы. Концы каждой из них обязательно защищены таковыми " наконечниками" . Теломеры хромосом защищают генетическую программу и ответственны за целостность ДНК.

Немного теории

Теломера - это термин, введенный в 1932 г. Г. Миллером. У человека, как и у подавляющей части организмов-эукариот (состоящих из клеток с ядрами), это специальная линейная хромосомная ДНК, которая состоит из ряда тандемных коротких повторов.

Таким образом, в теломерных участках складывается нуклеопротеидный комплекс - теломерный структурный гетерохроматин. Он образуется ДНК и белками, специфически связывающимися с теломерными ДНК-повторами . Последние являются консервативного рода последовательностями. У нас, как и у всех позвоночных, такой ДНК-повтор - это строго определенная последовательность нуклеотидов TTAGGG. У большей части растительного мира это TTTAGGG. У насекомых - TTAGG.

Исследователи из университета Кардиффа выяснили, что предельная длина теломеры человека, при которой хромосомы соединяются друг с другом, - это 12,8 теломерного повтора.

История

Революционный подход к эффекту теломер был обозначен не так давно:

В 1971 году ученый из России А. М. Оловников впервые выдвинул гипотезу, что теломеры укорачиваются при каждом делении клетки. Чем короче этот " хвостик" , тем меньше ресурс клетки к дальнейшему делению.
Экспериментальное подтверждение гипотезы россиянина было оглашено спустя 15 лет английским исследователем Говардом Куком . Но тут уже были определены первые несостыковки теории: клетки мышц и нервов не делятся, соответственно, число теломер в них не может уменьшаться. Но при этом данные ткани стареют вместе со всеми другими. Данный вопрос до сих пор открыт, служит причиной для научных споров.

В начале 70-х тем же А. М. Оловниковым было предсказано существование фермента теломеразы, который способен " достраивать" заканчивающиеся теломеры.
В 1985 году теломераза была обнаружена у инфузории, затем в дрожжах, и животных. Что касается человека, то у него столь ценный фермент был найден только в половой системе - в сперматозоидах и яйцеклетках, а также, как ни странно, в раковых клетках. Теломераза делает эти частицы фактически бессмертными, так как формирует бесконечную цепочку теломер, которая позволяет клетке делиться вечно. Но вот остальные наши соматические ткани не содержат в своих составляющих такого фермента, отчего их клетки со временем стареют и умирают.

Важность теломер

Говоря о том, что это - теломеры , выделим их отличительные характеристики:

Не содержат в себе генетической информации.
В каждой клетке нашего организма ровно 92 теломеры.
Отвечают за стабильность генома.
Защищают в репликации хромосомы от случайных слияний и деградации.
Защищают клетки от старения, мутаций и гибели.
Отвечают за структурную целостность хромосомных окончаний.

Теломеры и жизнь клетки

Как известно, новые клетки получаются путем деления материнской надвое. Соответственно, вместе с ней делятся хромосомы, а также и теломеры. С каждым делением число этих защитных " наконечников" уменьшается. Как только их количество становится настолько малым, что следующее деление становится невозможным, клетка погибает.

Так эффект теломер влияет на биологический возраст человека и любого другого живого существа. С уменьшением количества этих защитных элементов мы стареем, так как в нашем организме все меньше остается клеток, способных делиться, обновлять ткани, из которых состоят все жизненно важные органы.

На основании более чем 8 тыс. исследований можно утверждать следующее:

Длинные теломеры обеспечивают долголетие.
Короткие теломеры связаны с неуклонным старением организма вне зависимости от хронологического возраста человека.

Но можно ли " удлинить" теломеры?

Остановить старение

Установив, что теломера - это одно из действенных свойств управления биологическим возрастом человека, ученые провели ряд экспериментальных исследований. Панацея была найдена в виде теломеразы - удивительного фермента, который имеет свойство достраивать почти израсходованные теломеры. Как только защитный " наконечник" ДНК восстановился, у клетки появляется ресурс для дальнейшего деления, а значит, и для обновления тканей наших органов, что и замедляет старение организма в целом.

Как " удлинить" теломеры? С помощью фермента, синтезирующего нуклеотидную последовательность TTAGGG на концевых областях ДНК (теломеры) - теломеразы . Она обладает рядом достойных свойств:

Создание матрицы, по которой достраиваются критически короткие теломеры.
Продление жизни клетки.
Защита всего организма от преждевременного старения.
Предотвращение сокращения длины теломеры.
Дает возможность " пожилой" клетке вернуть молодость - функционировать и делиться, как молодая.

Теломераза - эликсир молодости?

В 1997 году учеными из университета Колорадо (США) был получен ген чудо-фермента. Уже в 1998 году их коллеги из юго-западного медцентра Техасского университета (Даллас) внедрили ген теломеразы в соматические клетки человека - кожного покрова, сосудистого, зрительного эпителия. Т. е. в те, которые по своей природе не содержат данного фермента.

И что же в итоге? Генетически модифицированная клетка оставалась вполне жизнеспособной, в то время как теломераза выполняла свою работу! Фермент, так же как и в половых и раковых клетках, " пришивал" теломерные нуклеотидные последовательности, отчего деления этой частицы организма никак не влияли на длину теломеры. Пока что таким образом удалось продлить жизнь клетки в 1,5 раза.

За данное открытие в 2009 году ученые Д . Шостак , К. Грейдер, Э . Блэкберн были удостоены Нобелевской премии, отчего в серьезности исследований сомневаться не приходится.

Как самому удлинить теломеры?

Во многих странах можно пройти анализ на теломеры - тест , который позволяет выявить их длину в ваших клетках. Но что делать, если такой ресурс у вас истекает?

Учеными было выявлено, что мы сами можем удлинить свои теломеры. Притом рядом совершенно несложных решений:

Здоровое питание.
Недопущение длительных стрессовых ситуаций.
Уверенность в поддержке близких и друзей.

И это не очередной призыв к ЗОЖ, а данные результата исследований ученых Калифорнийского университета (Сан-Франциско). Эксперимент продолжался 5 лет. " Подопытной" была группа мужчин, у которых выявили рак простаты на первой стадии. 10 участников изменили свою жизнь в соответствии с вышеперечисленным, а 25 не предпринимали ничего.

Как итог, у перешедших к здоровой жизни длина теломер увеличилась на 10%. И это средний результат: чем больше человек вносил положительных изменений, тем активнее удлинялась у него цепочка теломер. А вот у другой части наблюдаемой группы ее длина сократилась в среднем на 3%.

Рак и бессмертие

Чисто гипотетически теломераза , внедренная в клетки человеческого организма, делает их вечными, а его самого - бессмертным. Но не стоит забывать о том, что это раковый фермент, главная причина злокачественного перерождения материи. Онкологию оттого и трудно победить, что раковые клетки бессмертны. А делает их такими именно теломераза .

Отсюда вопрос: "А не переродятся ли клетки, модифицированные этим ферментом, в раковые?". Природу не под силу обмануть человеку: теоретически мы можем сделать организм бессмертным, но он неминуемо погибнет от онкологических болезней.

Таким образом, воздействие длины теломер на наш биологический возраст признано научным сообществом, хотя теория и вызывает массу споров. А также выявлены и простые правила жизни, которые помогут нам дольше наслаждаться своей молодостью без всяких эликсиров бессмертия.

Победить старение организма и приобрести бессмертие мечтает человечество на протяжении всего своего существования. Над достижением этой цели сейчас работают лучшие биологи мира. Возможно, мы подошли к ней уже совсем близко. Теломераза – недавно открытый фермент, отвечающий за бессмертие организма. Но чем будет это открытие? Спасением, сбывшейся мечтой или новым бичом человечества?

Совсем недавно было открыто, что за старение или бессмертие клеток отвечают окончания хромосом, названные теломерами. Апоптоз – биологически запрограммированный процесс старения клетки. Его задача в том, чтобы не дать размножаться клеткам с поврежденными ДНК. У многоклеточных организмов апоптоз отвечает за морфогенез – правильное образование и развитие тканей и органов. Делается это при помощи контроля скорости деления клеток. Одни клетки размножаются быстрее и давят на соседние ткани, в результате орган занимает нужное положение в организме.

Находящиеся на концах хромосом теломеры отвечают не только за бессмертие или старение организма. Они также предохраняют соединение хромосомы с участками ДНК других хромосом, таким образом, препятствуя мутации клетки. Старение основано на неспособности ДНК-полимеразы (фермента отвечающего за копирование ДНК при размножении клетки) копировать ДНК с самого её конца. Таким образом, при каждом делении теломеры на концах хромосом становятся всё короче. Этот процесс длительный, но со временем теломеры исчезают, ДНК хромосом начинает набирать ошибки и возникает мутация клетки. Со временем мутации достигают такого количества, что клетка становится неспособной обеспечивать саму себя питательными веществами и поддерживать постоянство внутренней среды. Клетка погибает.

Однако некоторые клетки имеют кардинальное отличие. Клетки внутренней стенки кишечника, клетки, отвечающие за образование сперматозоидов, а также бактерии и раковые клетки могут делиться бесконечно долго и никогда не стареют. Эта способность обеспечивается особым ферментом, способствующим копированию цепочки ДНК с самого её конца. Таким образом, ответственные за сохранение целостности хромосомы теломеры никогда не исчезают, и клетка становится бессмертной. Этот фермент называется теломераза.

В норме при исчезновении теломер, ДНК клетки с каждым делением накапливает ошибки. В результате ДНК приходит в негодность и клетка гибнет. Но бывает так, что очередная мутация затрагивает участок, кодирующий фермент теломеразу. Из-за этого уже накопившая ошибки ДНК прекращает свое дальнейшее разрушение, давая клетке бессмертие. Но из-за накопленных ошибок клетка не может выполнять свои функции, с этого момента все ресурсы клетки тратятся исключительно на её размножение. Ткань становится злокачественным новообразованием.

Нужно понимать, что активация теломеразы не является причиной появления рака. Например, клетки эндотелия кишечника благодаря теломеразе бессмертны, но при этом не являются злокачественными и успешно выполняют свои функции. Злокачественное образование имеет два кардинальных отличия:

— бессмертие клеток ткани в результате активации теломеразы;

— ошибки в ДНК клетки, из-за чего она не выполняет свои функции.

Именно оба этих фактора, а не только первый, отличают злокачественные клетки.

Способность влиять на теломеразу – ключ к бессмертию и избавлению человечества от онкологических заболеваний. Для избавления от рака необходимо научится отключать теломеразу у отдельных клеток, не затрагивая её функции в остальных тканях и органах. Добиться этого можно путем введения необходимых ферментов местно, в злокачественные ткани.

Добиться бессмертия – задача более сложная. При этом активирующий теломеразу препарат ТА-65 уже получен и поступил в продажу. Но изучение теломеразы не доведено до конца, некоторые её функции в различных тканях ещё не изучены. Несмотря на позитивные результаты от применения препарата, многие врачи рекомендуют использовать его только с разрешения специалиста и при его контроле. Другие врачи рекомендуют отказаться от препарата вовсе.

Главным компонентом препарата является циклоастрогенол – вещество природного происхождения, содержащееся в корне перепончатого астрагала. Его способность активировать теламеразу была доказана ещё в 2009 году. Вещество было опробовано на мышах. В ходе экспериментов обнаружилось, что препарат возвращает молодость особям, избавляет от многих хронических заболеваний. Негативных побочных эффектов не было обнаружено.

Несмотря на это некоторые врачи рекомендуют воздержаться от покупки препарата, обосновывая это отсутствием длительных клинических испытаний на людях. Тем не менее, препарат поступил в продажу и уже имеет множество постоянных покупателей. Курс приема ТА-65 рассчитан на три месяца, после чего необходимо делать перерыв на несколько недель. В день принимают от 1 до 4 таблеток. Их назначение возможно лишь в специализированных клиниках, после выяснения биологического возраста. Стоимость колеблется в зависимости от страны и способа приобретения. Упаковка в 30 таблеток оценивается в 15-25 тысяч рублей, упаковка в 90 таблеток оценивается в 40-55 тысяч рублей.

Видео: Теломеры и теломераза.

Функции теломер

Механические.

а) фиксация хромосом к ядерному матриксу;

б) теломеры сцепляют друг с другом концы сестринских хроматид; в то же время структура теломер такова, что допускает расхождение хроматид в анафазе.

2. Стабилизационные.

а) наличие теломер предохраняет от недорепликации генетически значимые отделы ДНК;

б) осуществляют стабилизацию концов разорванных хромосом. Например, у больных α-талассемией в генах α-глобина происходят разрывы хромосомы 16q, и к поврежденному концу добавляются теломерные повторы.

3. Влияние на экспрессию генов. Свойство теломер – эффект положения: активность генов, расположенных рядом с теломерами, снижена (репрессирована). Такой эффект обозначают как транскрипционное молчание, или сайленсинг. При значительном укорочении теломер эффект положения пропадает и прителомерные гены активируются.

а) Сайленсинг может быть результатом действия белков Rap1 или TRF1.

б) эффект положения может быть обусловлен близостью к ядерной оболочке. По гипотезе А.М. Оловникова, в этой облочке могут располагаться Са+-каналы, и поток ионов Са влияет на взаимолействие белков с близлежащими генами.

4. «Счетная» функция. Теломерные отделы ДНК выступают в качестве часового устройства (т.н.репликометра), которое отсчитывает количество делений клетки после исчезновения теломеразной активности. Каждое деление клетки приводит к укорочению теломеры на 50-65 н.п. Причем, для клетки важней не то сколько делений уже прошло, а сколько еще осталось до критического укорочения теломеры. Т.о. можно сказать, что теломеры – устройство, определяющее количество делений, которые способна совершит нормальная клетка в отсутствие теломеразы.

Достигая критически короткой длины, теломеры теряют возможность выполнять свои функции, клеточный цикл нарушается, и клетка погибает.

Фермент теломераза используется для поддержания длины теломерной ДНК.т Она удлиняет G-цепь каждой теломеры.

Ключевой вопрос теломерной биологии – в каких клетках имеется и функционирует теломераза, а в каких клетках ее нет. Считают, что именно в нем кроется связь данной проблемы со старением и канцерогенезом.

Распространение теломеразы в нормальных клетках:

а) с наибольшим постоянством теломераза обнаруживается в органах кроветворения – костном мозгу, лимфоузлах и т.д.

б) с меньшей частотой обнаруживают фермент в органах с условно постмитотическими клетками – печени, поджелудочной железе, а также, в респиратоныхотделах легких, в стволовых клетках предстательной железы;

в) не обнаруживается теломераза в мозгу и в мышечных тканях, где большинство составляют постмитотические клетки.

Т.о., теломераза имеется во многих из тех соматических клеток, которые способны к делениям.

№9, 2007 г.

Центромеры и теломеры хромосом

А.В. Вершинин

Александр Васильевич Вершинин , д.б.н., гл.научн.сотр. Института цитологии и генетики СО РАН.

Что такое хромосомы, сегодня известно почти каждому. Эти ядерные органеллы, в которых локализуются все гены, и составляют кариотип данного вида. Под микроскопом хромосомы выглядят как однородные, вытянутые темные палочкообразные структуры, и вряд ли увиденная картина покажется интригующим зрелищем. Тем более, что препараты хромосом великого множества живых существ, обитающих на Земле, отличаются разве что числом этих палочек да модификациями их формы. Однако есть два свойства, характерные для хромосом всех видов. Первое - наличие обязательного сжатия (или перетяжки), расположенного или посередине, или смещенного к одному из концов хромосомы, получившего название “центромера”. Второе - присутствие на каждом конце хромосомы специализированной структуры - теломеры (рис.1). Различные гены, расположенные вдоль плеч (частей хромосомы от центромеры до физического конца) хромосом, вместе с регуляторными последовательностями ДНК ответственны за выполнение разнообразных функций. Это и обеспечивает уникальность генетической информации, закодированной в каждом плече каждой отдельной хромосомы.

Центромерные и теломерные районы занимают особое положение, ибо выполняют крайне важные, но одни и те же функции в хромосомах всех видов эукариот. Многочисленные исследования пока не дали ясного ответа на вопрос, какие молекулярные структуры ответственны за выполнение этих функций и как они их осуществляют, но очевидный прогресс в этом направлении в последние годы достигнут.

До выяснения молекулярной структуры центромер и теломер полагали, что их функции должны определяться (кодироваться) универсальными и в тоже время специфичными для данных районов последовательностями ДНК. Но прямое определение первичной последовательности нуклеотидов (секвенирование ДНК) осложнялось тем, что эти районы, как правило, соседствуют в хромосомах с участками высокой концентрации повторяющихся последовательностей ДНК. Что сегодня известно об этих функционально важных районах хромосом?

Центромеры

К середине прошлого столетия многочисленные цитологические исследования показали определяющую роль центромеры в морфологии хромосом. Позднее установили, что центромера вместе с кинетохором (структурой, состоящей в основном из белков) ответственна за правильное расхождение хромосом в дочерние клетки в ходе клеточного деления. Направляющая роль центромеры в этом процессе очевидна: ведь именно к ней прикрепляется веретено деления, которое вместе с клеточными центрами (полюсами) составляет аппарат клеточного деления. Благодаря сокращению нитей веретена хромосомы движутся во время деления к полюсам клетки.

Обычно описывают пять стадий клеточного деления (митоза). Для простоты мы остановимся на трех основных этапах в поведении хромосом делящейся клетки (рис.2). На первом этапе происходит постепенное линейное сжатие и утолщение хромосом, затем образуется веретено деления клетки, состоящее из микротрубочек. На втором хромосомы постепенно продвигаются к центру ядра и выстраиваются вдоль экватора, вероятно, чтобы облегчить присоединение микротрубочек к центромерам. При этом ядерная оболочка исчезает. На последнем этапе половинки хромосом - хроматиды - расходятся. Создается впечатление, что микротрубочки, прикрепленные к центромерам, как буксир, тянут хроматиды к полюсам клетки. С момента расхождения бывшие сестринские хроматиды называются дочерними хромосомами. Они достигают полюсов веретена и собираются вместе в параллельном порядке. Образуется ядерная оболочка.

Рис. 2. Основные этапы митоза.
Слева направо: компактизация хромосом, образование веретена деления; выстраивание хромосом вдоль экватора клетки,
прикрепление веретена деления к центромерам; движение хроматид к полюсам клетки.

При тщательном наблюдении можно заметить, что в процессе клеточного деления в каждой хромосоме центромера находится на постоянной позиции. Она поддерживает тесную динамическую связь с клеточным центром (полюсом). Деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах.

Разработанные в последние годы методы секвенирования позволили определить первичную структуру ДНК протяженных участков центромер человека, плодовой мухи Drosophila и растения Arabidopsis . Оказалось, что в хромосомах и человека, и растения центромерная активность связана с блоком тандемно организованных повторов (мономеров) ДНК, близких по размеру (170-180 нуклеотидных пар, нп). Такие участки называют сателлитной ДНК. У многих видов, в том числе и эволюционно далеких друг от друга, размер мономеров почти не отличается: различные виды обезьян - 171 нп, кукуруза - 180 нп, рис - 168 нп, насекомое хирономус - 155 нп. Возможно, это отражает общие требования, необходимые для центромерной функции.

Несмотря на то, что третичная структура центромер человека и арабидопсиса организована одинаково, первичные последовательности нуклеотидов (или порядок нуклеотидов) в их мономерах оказались совершенно разными (рис.3). Это удивительно для района хромосомы, выполняющего столь важную и универсальную функцию. Однако при анализе молекулярной организации центромер у дрозофилы обнаружили определенную структурную закономерность, а именно наличие участков из мономеров примерно одного размера. Так, у дрозофилы центромера Х-хромосомы состоит в основном из двух типов очень коротких простых повторов (ААТАТ и ААGАG), прерываемых ретротранспозонами (мобильными элементами ДНК) и “островками” более сложной ДНК. Все эти элементы нашли в геноме дрозофилы и вне центромер, однако последовательностей ДНК, характерных для каждой центромеры, у них не обнаружили. Значит, сами по себе центромерные последовательности ДНК недостаточны и необязательны для образования центромеры.

Рис. 3. Структура ДНК в центромерах человека и растения.

Прямоугольники соответствуют тандемно организованным мономерам с идентичной последовательностью нуклеотидов внутри (первичная структура ДНК). У разных видов первичная структура ДНК мономеров различается, а вторичная представляет собой спираль. Последовательность мономеров отражает структурную организацию ДНК более высокого уровня.

Это предположение подтверждается и проявлением центромерной активности за пределами нормальных центромер. Такие неоцентромеры ведут себя как обычные центромеры: образуют цитологически различимую перетяжку и формируют кинетохор, связывающий белки. Однако анализ ДНК двух неоцентромер человека и обычной центромеры общих последовательностей не выявил, что говорит о возможной роли других структурных компонентов хромосомы. Ими могут быть гистоновые и негистоновые белки, которые связываются с ДНК, формируя нуклеосомную структуру хроматина.

Функциональную роль центромерной структуры хроматина подтверждает присутствие специфических для каждого биологического вида варианта гистона Н3 в центромерном хроматине: у человека они названы CENP-A, у растений - CENH3. Среди множества имеющихся в кинетохоре белков только два, СЕNН3 и центромерный белок С (СЕNР-С), непосредственно связываются с ДНК. Возможно, именно CENH3, взаимодействуя с другими гистонами (Н2А, Н2В и Н4), формирует и определяет специфический для центромер тип нуклеосом. Такие нуклеосомы могут служить своего рода якорями для образования кинетохора. Варианты гистона Н3 в центромерах различных видов подобны канонической молекуле гистона Н3 в участках взаимодействия с другими гистоновыми белками (Н2А, Н2В, Н4). Однако участок центромерного гистона Н3, взаимодействующий с молекулой ДНК, видимо, находится под действием движущего отбора. Как уже говорилось, первичная структура центромерной ДНК отличается между видами, и было высказано предположение, что центромерный гистон Н3 коэволюционирует вместе с центромерной ДНК, в частности у дрозофилы и арабидопсиса .

Обнаружение центромерного гистона Н3 породило крайнюю точку зрения, согласно которой центромерная функция и ее полная независимость от первичной структуры ДНК определяется нуклеосомной организацией и этим гистоном. Но достаточно ли этих факторов для полноценной активности центромеры? Модели, игнорирующие роль первичной структуры ДНК, должны предполагать случайное распределение изменений в структуре центромерной ДНК в различных популяциях в отсутствие отбора. Однако анализ сателлитной ДНК в центромерах человека и Arabidopsis выявил консервативные районы, так же как и районы с более высокой, чем средняя, вариабильностью, что указывает на давление отбора на центромерную ДНК. Кроме того, искусственные центромеры удалось получить только с a-сателлитными повторами человека, амплифицированными из природных центромер, но не из a-сателлитов прицентромерных районов хромосом.

Меньше принципиальных трудностей для объяснения встречают модели, в которых решающим фактором в определении позиции центромеры (сохраняющейся от поколения к поколению) и ее функций служит третичная (или даже более высокого порядка) структура ДНК. Ее консерватизм допускает большие вариации в последовательности нуклеотидов и не исключает тонкую подстройку первичной структуры.

В последние годы стало очевидным, что универсальных последовательностей ДНК, непосредственно определяющих функции центромер и теломер, нет. В этих районах хромосом ДНК служит платформой для сборки сложных, многокомпонентных ДНК-белковых комплексов, которые и обеспечивают выполнение этих функций. Более подробно о комплементарной организации этих комплексов и их координированного функционирования можно прочитать в нашем обзоре . Наряду со специфическими для центромер и теломер компонентами этих комплексов в их состав входят и такие, которые участвуют в выполнении нескольких функций, иногда даже противоположных. Например, Ku70/80-гетеродимер входит в состав теломер и работает как позитивный регулятор длины теломер у дрожжей и негативный регулятор - у растения арабидопсис. В тоже время этот белок участвует в распознавании разрывов хромосом и их восстановлении. Без сомнения, одно из наиболее актуальных направлений исследований - выявление молекулярной природы механизмов регуляции разнообразных молекулярных комплексов, обеспечивающих активность центромер и теломер.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
и Программы интеграционных проектов СО РАН (проект 45/2).

Литература

1. Talbert P.B., Bryson T.D., Henikoff S. // J. Biol. 2004. V.3. Article 18.

2. Вершинин А.В. // Генетика. 2006. V.42. P.1200-1214.

3. Wu J., Yamagata H., Hayashi-Tsugane M. et al. // Plant Cell. 2004. V.16. P.967-976.

4. Scott K.C., Merrett S.L., Willard H.F. // Curr. Biol. 2006. V.16. P.119-129.

5. Muller H.J. Further studies on the nature and causes of gene mutations // Proc. Sixth Int. Congr. Genet. 1932. V.1. P.213-255.

6. Louis E.J., Vershinin A.V . // BioEssays. 2005. V.27. P.685-697.

7. Lange T.de // Genes Dev. 2005. V.19. P.2100-2110.

Изучение процессов старения организма человека всегда занимало умы ученых. И сегодня многие исследователи пытаются до конца разгадать этот механизм, заключающийся в развитии и постепенном увядании клеток тела человека. Возможно, что ответы на эти вопросы помогут медикам увеличивать продолжительность жизни и улучшать ее качество при различных заболеваниях.

Сейчас существует несколько теорий о старении клетки. В этой статье мы рассмотрим одну из них. Она основана на изучении таких частей хромосом, заключающих в себе около 90 % ДНК клетки, как теломеры.

Что такое «теломеры»?

В каждом ядре клетки находится по 23 пары хромосом, представляющих собой Х-образно закрученные спирали, на концах которых находятся теломеры. Эти звенья хромосомы можно сравнить с наконечниками шнурков для обуви. Они выполняют такие же защитные функции и сохраняют целостность ДНК и генов.

Деление любой клетки всегда сопровождается раздвоением ДНК, т. к. материнская клетка должна передать информацию дочерней. Этот процесс всегда вызывает укорачивание ДНК, но клетка при этом не теряет генетическую информацию, т. к. на концах хромосом расположены теломеры. Именно они во время деления становятся короче, предохраняя клетку от утраты генетической информации.

Клетки делятся многократно и с каждым процессом их размножения теломеры укорачиваются. При наступлении критически маленького размера, который называется «предел Хейфлика», срабатывает запрограммированный механизм смерти клетки – апоптоз. Иногда – при мутациях – в клетке запускается другая реакция - программа, приводящая к бесконечному делению клетки. Впоследствии такие клетки становятся раковыми.

Пока человек молод, клетки его тела активно размножаются, но с уменьшением размеров теломер происходит и старение клетки. Она начинает с трудом выполнять свои функции, и организм начинает стареть. Из этого можно сделать такой вывод: именно длина теломер является самым точным индикатором не хронологического, а биологического возраста организма.

Краткая информация о теломерах:

они не несут генетической информации;
в каждой клетке человеческого организма заключено 92 теломеры;
они обеспечивают стабильность генома;
они защищают клетки от смерти, старения и мутаций;
они защищают структуру конечных участков хромосом при делении клетки.

Возможно ли защитить или удлинить теломеры и продлить жизнь?

В 1998 году американские исследователи смогли преодолеть предел Хейфлика. Значение максимального укорочения теломер различно для разных типов клеток и организмов. Предел Хейфлика для большинства клеток человеческого организма составляет 52 деления. Увеличить это значение в процессе экспериментов стало возможным путем активации такого особого фермента, воздействующего на ДНК, как теломераза.

В 2009 году ученые из Стэнфордского университета были удостоены Нобелевской премии за разработку метода стимуляции теломер. Эта методика основана на применении особой молекулы РНК, несущей в себе ген TERT (обратной теломеразной транскриптазы). Она является матрицей для удлинения теломер и распадается после выполнения своей функции. Полученные клетки «омолаживаются» и начинают делиться более интенсивно, чем ранее. При этом их малигнизация, то есть превращение в злокачественные, не наступает.

Благодаря этому открытию стало возможным удлинять концы хромосом более чем на 1000 нуклеотидов (структурных единиц ДНК). Если пересчитать этот показатель на годы жизни человека, то он составит несколько лет. Такой процесс воздействия на теломеры абсолютно безопасен и не вызывает мутаций, приводящих к бесконтрольному делению и малигнизации клеток. Это объясняется тем фактом, что после введения особая молекула РНК быстро распадается и иммунитет не успевает реагировать на нее.

Ученые сделали выводы о том, что теломераза:

защищает клетки от старения;
продлевает жизнь клетки;
предупреждает уменьшение длины теломер;
создает матрицу для «достраивания» теломер;
омолаживает клетки, возвращая их к молодому фенотипу.

Пока научные эксперименты, проводящиеся на основе теории ученых из Стэнфордского университета, выполнялись только на лабораторных мышах. В их итоге специалисты смогли затормозить старение кожи животных.

За это открытие работающая в США австралийка Элизабет Блекберн, американка Кэрол Грейдер и ее соотечественник Джек Шостак были удостоены Нобелевской премии. Ученые из Стэнфорда надеются, что созданная ими методика даст возможность в будущем лечить тяжелые заболевания (в том числе и нейродегенеративные), которые провоцируются укорочением теломер.

Питер Лэндсдорп, научный директор Европейского института биологии возраста рассказывает о роли теломер в процессах старения и образования опухолей: