|
Рождение и смерть часто воспринимаются нами на бытовом, а порой и на философском уровнях – как две стороны одной медали. Одно явление якобы неотделимо от другого. Появление на свет неизбежно влечет за собой старение и уход из жизни. Между тем это не совсем так. Живая клетка как своеобразная молекулярная фабрика способна работать и воспроизводиться без всяких признаков усталости или старения бесконечно долго. Хороший тому пример – все одноклеточные существа, размножающиеся исключительно бесполым способом. Разумеется, известную всем амебу без труда можно лишить жизни – отравить, сварить, высушить, раздавить, наконец. Однако если ее кормить, холить и лелеять (то есть регулярно менять культуральную среду на новую и добавлять пищу), то она будет без устали делиться и никогда не состарится. В этом смысле амеба бессмертна. Если бы клетки нашего тела были подобны амебам, о пенсионном возрасте речь бы, возможно, не заходила.
В первой четверти XX в. из водоема была выловлена крошечная инфузория Tetrahymena pyriformis, которая, как и все ее собратья, размножалась путем обычных делений пополам, но в силу некоторых отклонений от нормы не могла вступать в половой процесс с себе подобными*. Так вот, потомки той клетки до сих пор прекрасно чувствуют себя во многих лабораториях мира, хотя, по самым скромным оценкам, от клетки-прародительницы их отделяет уже более двухсот тысяч делений-поколений. Иначе говоря, клон (штамм) этих инфузорий практически бессмертен.
Никто и никогда не видел пожилую бактерию. При ее темпах и способах воспроизводства себе подобных говорить о старении совершенно бессмысленно. Смерть в преклонном возрасте становится по-настоящему актуальным и обсуждаемым феноменом только у размножающихся половым путем многоклеточных. В самом деле: если жизненная программа выполнена – репродуктивный период закончился, потомство оставлено и тем самым апробирован и сохранен доставшийся от предков набор генов, зачем же продолжать жить родителям? Просто наслаждаться жизнью? Но они ведь мешают новому поколению... Рациональнее прекратить бессмысленное расходование ресурсов пожилыми предками, отправив их в расход. Другими словами, на определенном этапе эволюции запрограммированная гибель многоклеточных в пострепродуктивном периоде стала феноменом, выгодным для процветания вида в целом. Раз так, то неизбежно должны были возникнуть и четкие механизмы, эту гибель обеспечивающие.
Прекрасный в этом плане пример демонстрирует совсем просто устроенное многоклеточное существо – крошечный червячок, самооплодотворяющийся гермафродит, нематода ценорабдитис (Caenorabditis elegans). Ее размеры едва достигают 1 мм, а общее количество клеток абсолютно постоянно у всех взрослых особей (около 3 тыс.), причем более половины из них приходится на органы размножения (для сравнения: новорожденный крысенок состоит примерно из 3 млрд клеток). Количество ДНК в каждой клетке ценорабдитиса всего лишь в двадцать раз превышает количество ДНК у средней бактерии. Жизнь этой нематоды поразительно скоротечна и длится всего трое с половиной суток, что лишь в двести пятьдесят раз длиннее жизни кишечной палочки, которая при благоприятных условиях делится через каждые 20 мин. Но палочка именно делится, то есть ее молекулярная фабрика продолжает успешно работать, регулярно удваивая свое клеточное хозяйство, а вот отложившая яйца нематода неизбежно умирает. Ясно, что ни о каком старении за счет накопления возможных дефектов и повреждений в клетках в этом случае говорить не приходится. Какая уж тут дряхлость, когда тебе от роду не более трех суток! К роковой черте маленького червя подводит неизбежная, четкая и смертельная, как взгляд Абадонны, работа генов, семейство которых биологи назвали CED (Caenorabditis elegans death). Продукт одного гена запускает экспрессию второго, тот активирует третий, седьмой... и в результате дружный лизис всех клеток и гибель организма в целом. Такую запрограммированную клеточную смерть биологи и медики называют апоптозом.
Если бы подобный четкий механизм ухода из жизни работал у высших позвоночных, программа нашего пенсионного обеспечения оказалась бы совершенно ненужной. Действительно, к чему копить на старость, если, к примеру, после сорока семи с половиной лет неизбежно последует быстрый и безболезненный распад. Слава Богу, этого не происходит, и, может, правы те геронтологи, которые говорят о феномене старости как результате накопления всевозможных ошибок в работе клеток, из которых мы состоим. Существуют ли вообще какие-либо программы ограничения времени жизни клеток человека? Гипотезу их запрограммированной гибели подтвердил в начале 60-х гг. Л.Хейфлик. Он показал, что клетки соединительной ткани человека – фибробласты – способны совершить при культивировании вне организма лишь определенное число делений. Причем число это зависит от возраста донора. Фибробласты плода проделывают около 50 делений. Подобные клетки новорожденного способны разделиться уже всего 20–30 раз, а взятые от пожилых людей, они едва осиливают несколько клеточных циклов. В “разновозрастных” смесях более молодые клетки всегда живут дольше, чем их “пожилые” соседи. Следовательно, списать все различия на неодинаковость условий при культивировании не удается. В опытах на мышах было показано, что “старые” клетки, пересаженные в тело молодой особи, омолодиться не способны и через некоторое время гибнут.
Создается впечатление, что в клетках человека и высших позвоночных отсчитывает ход жизни своеобразный хронометр. Пока завод не кончился, клетка способна к делению. Как только деления прекращаются, наступает так называемое репликативное старение. Само же количество 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 негритянки Генриетты Ламберт (Henrietta Lambert), скончавшейся в 30-х гг. ХХ в. в США от карциномы шейки матки. До сих пор они 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 2,5 млрд лет – практически до протерозоя. Ведь и наши рыбообразные предки рождались из чьей-то икры.
Порой время работы “хронометра жизни” может резко укорачиваться. Так происходит при врожденных заболеваниях быстрого старения – прогериях (гр. 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 этом, 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... 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 Хейфлика, то есть количество удвоений, которое способны совершить клетки в культуре. При этом продолжительность самого клеточного цикла в культуре 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 пример – прогерия взрослых, или синдром Вернера, описанный впервые еще в 1904 г. Страдающие им люди развиваются с нормальной скоростью до 17–18 лет, 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 странах, и достигает одного случая на сорок тысяч. В результате генетического анализа удалось выяснить, что прогерия взрослых является аутосомным рецессивным заболеванием. Это означает, что оно проявится в зрелом возрасте только у тех новорожденных, которые получили одновременно от каждого из родителей по определенному мутантному гену, находящемуся в восьмой хромосоме. Клетки больных с синдром Вернера обычно перестают делиться в культуре 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?
Впервые на возможный механизм работы подобного “хронометра” указал в 1971 г. в чисто теоретической статье наш соотечественник, сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии АН СССР А.М. Оловников. Идея сводилась к следующему. Еще до деления клетки все ее хромосомы удваиваются. Каждая хромосома представляет собой туго смотанную длинную 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 напоминает рельсоукладчик, который ездит по рельсам, укладывая рядом с собой параллельный путь. Пока ДНК-полимераза трудится на протяжении основной части пути – все в порядке. 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 их копию. И “параллельный путь” оказывается чуть короче. А следующий – построенный с него – еще короче. То есть при каждом делении клетки нити ее ДНК должны немного укорачиваться.
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 оказываются расположенными на ее краях – теломерах. 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 – своеобразных “букв”, из которых состоит эта макромолекула. По счастью, на концах нитей ДНК не закодированы важные для клетки белки. Теломеры состоят из одинаковых уныло повторяющихся последовательностей нуклеотидов (у млекопитающих это ТТАГГГ), длина которых 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. Но теломеры 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.
Что же происходит с теломерами у потенциально бессмертных одноклеточных, в половых и раковых клетках? В 1985 г. у инфузорий тетрахимен был обнаружен фермент, который активно достраивал концы теломер, с которыми не справлялась ДНК-полимераза. Тем самым этим клеткам обеспечивалась возможность бесконечно воспроизводиться. Фермент назвали теломеразой и вскоре обнаружили его у большинства клеток, с которыми обычно экспериментируют биологи, – у дрожжей, некоторых насекомых, червей и растений. Выяснилось, что теломеразы прекрасно работают в зародышевых и половых клетках человека. Работают они и в так называемых стволовых клетках – то есть таких, постоянное деление которых лежит в основе обновления крови и некоторых тканей (например, кожи и внутренней выстилки кишечника). До 90% опухолей человека обладают теломеразной активностью, а вот в нормальных клетках тела (так называемых соматических), наоборот, эти ферменты найти не удается. Таким образом, можно напрямую связать активность теломеразы и пролиферативный потенциал клеток (то есть их способность к делению). Клетки, в которых теломераза не достраивает кончики хромосом, через некоторое время перестают делиться.
Из этих замечательных наблюдений следует ряд интригующих выводов и предположений. Во-первых, не исключено, что подавление активности теломеразы в опухолевых клетках поможет в борьбе с раком. В Институте молекулярной биологии РАН Е.Е. Егоровым с сотрудниками уже получены результаты о том, что введение в клетки меланомы и промиелоцитарной лейкемии человека ингибитора теломеразы азидотимидина (3'-азидо-3'-дезокситимидина) приводит к укорачиванию их теломер и торможению роста. Правда, бить в литавры еще рано, поскольку, судя по всему, клетки различных опухолей по-разному обходят барьер запрограммированной смерти и с каждым конкретным случаем надо разбираться отдельно.
Во-вторых, наоборот, индукция активности теломеразы может увеличить пролиферативный потенциал обычных, смертных клеток и тем самым продлить срок их нормальной работы. Например, недавно с помощью методов молекулярной инженерии в клетки эпителия сетчатки глаза был введен кусочек ДНК, кодирующий человеческую теломеразу. В результате хромосомы начали наращивать свои теломеры, а количество делений этих эпителиальных клеток превысило обычный лимит минимум на 20 удвоений! А что если ввести такой ген теломеразы в клетки зародыша человека? Предположим, он встроится в одну из 46 хромосом и будет постоянно воспроизводиться при каждом делении. Тогда мы получим человека, все соматические клетки которого будут игнорировать лимит Хейфлика. А это означает, что срок его жизни будет существенно увеличен. На горизонте научных достижений начинает брезжить заря потенциального человеческого бессмертия, о котором мечтали десятки поколений мыслителей и естествоиспытателей! Разумеется, такая возможность является пока чисто теоретической и путь к ее реализации наверняка окажется не таким простым, как здесь изложено. Более того, этичность проведения подобных экспериментов на людях наверняка вызовет не менее бурную дискуссию, чем спор о возможности и допустимости клонирования отдельных личностей. Однако мечта о бессмертии столь привлекательна, что наверняка вызовет попытки реализовать ее на практике.
Вот тут-то и возникает вопрос, не приведет ли взламывание печати Хейфлика (запрет на бесконечное деление соматических клеток) к непредвиденным и нежелательным последствиям, от которых нас “избавляет” смерть. Одним из неизбежных зол, с которым сталкиваются любые клетки, является возникновение случайных мутаций. Частота их появления у единичного гена оценивается как один случай на миллион клеток и на одно ее деление. Вроде бы не много. Однако число клеток в теле человека оценивается десятками, если не сотнями миллиардов, а общее количество делений, которые они совершают в нашем теле, достигает 1016 (часть отработавших клеток постоянно гибнет и выводится из организма). Следовательно, при таких порядках величин даже столь редкие события, как мутации, должны постоянно накапливаться в клетках тела в изрядных количествах. Эпидемиологические данные позволяют прикинуть, что для превращения обычной клетки в раковую она должна испытать где-то от трех до семи независимых мутаций. Е.Е. Егоров в своем прекрасном обзоре “Теломераза, старение, рак” (Молекулярная биология, 1977, т. 31, № 1) утверждает, что от 60 до 140 (в среднем) клеточных генераций почти неизбежно приведут к возникновению опухоли. А теперь вспомним, что лимит Хейфлика для клеток человека составляет около 50 делений – таким образом он ставит заслон лавинообразному появлению опухолей в суперпожилом возрасте.
В истории науки бывало уже не раз, когда то или иное открытие приводило к нежелательными последствиями. Возможность значительного продления жизни человека за счет манипуляций с его клетками и теломеразами грозит еще большим всплеском онкологических заболеваний и еще более существенным накоплением груза генетических мутаций, который и так уже несет на себе людской род благодаря успехам биологии и медицины. Впрочем, не надо впадать в пессимизм и думать, что этот груз в конечном счете раздавит вкусившее от древа познания человечество. Придется разрабатывать методы генетической терапии, способные противостоять всем этим негативным явлениям. А это серьезное испытание для науки XXI в. И.Спивак, С.Афонькин
|
|
