Теломераза – фермент, восстанавливающий теломеры
Вскоре после того, как я (Элизабет) изучила рентгеновский снимок с ДНК теломер, меня пригласили работать в Калифорнийский университет в Беркли, где в 1978 году я открыла собственную лабораторию, чтобы и дальше исследовать теломеры. Тут-то я и заметила нечто, не на шутку меня поразившее. Я продолжила выращивать колонии тетрахимен – тех самых «волосатых» одноклеточных созданий, из которых состоит водная муть, – и уже научилась вычислять размеры их теломер по длине ДНК. А кроме того, я выяснила, что каким-то таинственным образом при определенных условиях теломеры тетрахимен иногда начинали расти.
Это меня потрясло, ведь я ожидала, что если теломеры и будут меняться, то непременно станут укорачиваться, а не удлиняться, то есть количество последовательностей ДНК в каждой теломере будет уменьшаться. Но все выглядело так, словно тетрахимены создавали новую ДНК. Это было немыслимо! Всегда считалось, что ДНК не может изменяться. Вы наверняка слышали, что мы умираем с той же ДНК, с которой родились, и что ДНК производится исключительно за счет процесса, который можно условно назвать биологическим копированием. Я все проверила и перепроверила, но результаты подтвердились: то, что считалось невозможным, и впрямь происходило. Затем мы с Дженис Шампэй (так звали мою студентку, вместе с которой мы работали над экспериментами, придуманными мной и Джеком Шостаком, исследователем из Гарварда) обнаружили то же самое в клетках дрожжевых грибков. Позже начали поступать сообщения от других ученых: оказалось, подобные изменения наблюдаются и у остальных одноклеточных созданий, а не только у тетрахимен. На концах хромосом этих организмов появлялись новые участки ДНК. Их теломеры росли.
Никакие другие участки ДНК не ведут себя таким образом. На протяжении десятилетий ученые были убеждены, что любой отдельно взятый отрезок ДНК хромосомы существует исключительно потому, что он скопирован с существовавшей ранее ДНК. Было принято считать, что ДНК не может появляться «из воздуха», на пустом месте.
Ощущение было непередаваемое: прямо на моих глазах происходило нечто такое, чего никому прежде наблюдать не доводилось. Каждый ученый надеется совершить подобное открытие. Дух захватывает, когда неожиданные данные наталкивают на мысль о существовании неизведанных уголков мироздания, которые только и ждут, чтобы их изучили. Однако столь необычное поведение теломер привело к открытию гораздо большего, чем просто какой-то уголок мироздания, – обнаружились целые районы, о существовании которых до тех пор никому не было известно.
Теломераза: решение проблемы сокращения теломер
Я продолжала размышлять над странным поведением теломер, их способностью увеличиваться в длину. Я решила, что нужно заняться поисками фермента, который, возможно, и создавал новые участки ДНК в теломерах, – фермента, который способен восстанавливать теломеры, после того как те сократились. Настало время закатать рукава и опять приступить к выращиванию колоний тетрахимен. Почему именно их? Потому что из них можно получить изрядное количество теломер для изучения. Я решила, что так смогу обнаружить и формирующий теломеры фермент, если, конечно, он вообще существует.
В 1983 году к этим исследованиям присоединилась аспирантка Кэрол Грейдер, начавшая работать вместе со мной в лаборатории. Мы принялись проводить новые эксперименты и совершенствовать их. В день Рождества 1984 года Кэрол сделала рентгеновский снимок (авторадиограф), на котором впервые были видны отчетливые признаки работы неизвестного фермента. Когда Кэрол вернулась домой, в порыве возбуждения она пустилась в пляс посреди гостиной. Назавтра она с трудом сдерживала ликование, когда протянула мне рентгеновский снимок, ожидая моей реакции. Мы переглянулись. Каждая из нас прекрасно осознавала, что означало полученное нами изображение: теломеры способны удлинять свою ДНК, захватывая впервые обнаруженный фермент, который мы решили назвать теломеразой. Теломераза создает в теломерах новые участки ДНК, используя в качестве образца существующие последовательности нуклеотидов.
Однако науку двигают не только отдельные моменты гениальных озарений. Мы должны были убедиться в достоверности полученных результатов. Недели сменялись месяцами – мы скрупулезно продолжали исследования. Нас то и дело охватывали приступы сомнений, вслед за которыми приходили всплески радостного волнения. Шаг за шагом мы отмели все возможные причины, по которым наблюдение, сделанное нами в конце 1984 года, могло оказаться ошибочным. Наконец родилось более глубокое понимание сущности теломеразы: это фермент, который отвечает за восполнение участков ДНК, потерянных во время деления клеток. Теломераза строит и восстанавливает теломеры.
Вот что мы узнали о работе теломеразы. Фермент состоит из белков и РНК – своего рода копии ДНК. Эта копия содержит шаблон последовательности ДНК, которая затем раз за разом будет повторяться в теломере. Теломераза использует этот шаблон РНК как встроенную биохимическую инструкцию для воссоздания правильной последовательности нуклеотидов в новой ДНК. Благодаря этому удается воспроизвести такую ДНК, которая притягивает к себе защитный слой белка, покрывающий теломеры. Итак, теломераза добавляет новые фрагменты ДНК на концах хромосом, руководствуясь шаблоном последовательности, взятым из РНК, а также присущим ДНК принципом объединения отдельных нуклеотидов в пары. В итоге добавляются точно подобранные последовательности нуклеотидов, которые повторяют уже существующие. За счет этого механизма теломераза достраивает окончания хромосом взамен утраченных участков.
Загадка удлиняющихся теломер была раскрыта. Теломераза восстанавливает теломеры, добавляя к ним участки теломерной ДНК. С каждым делением клетки ее теломеры постепенно укорачиваются, пока их длина не достигнет критического значения: это служит для клетки сигналом, и она прекращает делиться. Теломераза борется с сокращением теломер, достраивая ДНК и восстанавливая утраченные участки на концах хромосом после каждого деления клетки. Благодаря этому хромосомы остаются нетронутыми и новая клетка получает их точную копию. Таким образом, клетка может обновляться и далее. Теломераза способна замедлять, предотвращать и даже обращать вспять сокращение теломер, сопровождающее клеточное деление. В каком-то смысле теломераза умеет обновлять теломеры. Мы нашли способ обойти предел Хейфлика… И все благодаря тине из пруда!
Теломераза – не эликсир бессмертия
Узнав о наших открытиях, и мировое научное сообщество, и СМИ начали фонтанировать обнадеживающими предположениями. А что, если удастся искусственно увеличивать запасы теломеразы в организме человека? Сможем ли мы подобно тетрахименам добиться постоянного, непрекращающегося обновления клеток? (Это, пожалуй, первый документированный случай, когда людям захотелось быть похожими на болотную тину.)
Многие принялись фантазировать на тему того, можно ли из теломеразы изготовить эликсир бессмертия. Тогда мы могли бы время от времени заглядывать в местный бар, разливающий теломеразу, за очередной порцией этого фермента, который позволил бы нам оставаться здоровыми долгие годы и достигать максимально возможной для людей продолжительности жизни.
Что ж, возможно, эти мечты не столь нелепы, как может показаться. Теломеры и теломераза – ключевые элементы механизма клеточного старения. Первым наглядным примером взаимосвязи между теломеразой и старением клеток послужили тетрахимены. Го Лян Юй, сотрудник моей лаборатории в Беркли, еще будучи аспирантом, поставил простой, но требующий хирургической точности эксперимент. Он заменил теломеразу в клетках тетрахимены точной копией этого фермента, предварительно заблокировав его активность. При надлежащем питании тетрахимены могли бы жить в лабораторных условиях вечно: подобно кролику из рекламы батареек «Энерджайзер» клетки тетрахимен не знают усталости – они делятся без остановки. Но неактивная теломераза поспособствовала тому, что теломеры тетрахимен начали укорачиваться с каждым клеточным делением. А когда они стали слишком короткими для того, чтобы защитить хранящуюся внутри хромосом генетическую информацию, клетки перестали делиться. Помните нашу аналогию с обувным шнурком? Если ее продолжить, то можно сказать, что пистончики на конце шнурков обтрепались и шнурок – вместе с содержащимся в нем важнейшим генетическим материалом – стал распускаться. Дезактивация теломеразы сделала клетки тетрахимен смертными.
Рис. 11. Последствия достаточного и недостаточного количества теломеразы. ДНК теломер становится короче, из-за того что фермент, который ее копирует, не функционирует на концах теломер (происходит неполная репликация ДНК). Теломераза удлиняет теломеры, компенсируя неотвратимый «износ» их ДНК. Когда теломераза присутствует в большом количестве, теломеры сохраняют свою длину и клетка продолжает делиться. Если же теломеразы становится недостаточно (из-за генетической мутации, образа жизни или других факторов), теломеры быстро сокращаются, клетка перестает делиться и вскоре стареет.
Без теломеразы клетки прекращают обновляться.
Позднее в лабораториях по всему миру были получены аналогичные результаты практически для всех типов клеток, за исключением бактерий (чьи хромосомы представляют собой не нити, а кольца ДНК, поэтому у них нет концов, которые нужно защищать). Длинные теломеры и большое количество теломеразы замедляли клеточное старение, тогда как короткие теломеры и недостаток теломеразы способствовали его ускорению. Связь между теломеразой и состоянием здоровья была установлена, когда практикующий врач Индержит Докал и его коллеги из Великобритании и США обнаружили, что у людей с генетической мутацией, из-за которой уровень теломеразы падает в два раза, развиваются серьезные наследственные теломерные синдромы – вроде того заболевания, что было диагностировано у Робин Хурас {1}. При недостатке теломеразы теломеры быстро укорачиваются и организм человека раньше времени становится жертвой болезней.
В клетках тетрахимен достаточно теломеразы для того, чтобы они могли постоянно восстанавливать свои теломеры. Это позволяет тетрахименам бесконечно обновляться, избегая старения на клеточном уровне. У людей же, как правило, теломеразы для этого не хватает. У нас очень скудные запасы этого живительного фермента. И наши клетки неохотно делятся им с теломерами. Человеческий организм вырабатывает ровно столько теломеразы, чтобы ее хватало для восстановления теломер… Но так происходит до определенного момента. По мере нашего старения теломераза в большинстве клеток становится менее активной и теломеры укорачиваются.
Теломераза и парадокс рака
Так можно ли продлить человеческую жизнь, искусственным образом увеличив количество теломеразы в клетках нашего тела? Вопрос более чем естественный. В Интернете полно рекламы пищевых добавок, стимулирующих выработку теломеразы. Их производители уверяют, что это возможно. Что ж, теломеры и теломераза действительно обладают удивительными свойствами, которые позволяют нам избежать чудовищных болезней и дольше чувствовать себя молодыми. Но они не являются чудесным эликсиром бессмертия – они не помогут преодолеть видовой предел продолжительности жизни. Мало того, если вы попытаетесь продлить свою жизнь, искусственно увеличив запасы теломеразы в организме, то лишь поставите себя под угрозу.
Беда в том, что у теломеразы есть и темная сторона. Вспомните историю доктора Джекила и мистера Хайда[4]: это один и тот же человек, чьи характер и поведение резко менялись в зависимости от того, стояли на улице день или ночь. Мы нуждаемся в помощи теломеразы – нашего доктора Джекила. Но если ее оказывается слишком много не в той клетке и в неудачное время, то теломераза приобретает обличье мистера Хайда и начинает стимулировать неконтролируемый рост клеток, способствуя возникновению рака[5]. Ведь по существу рак – это скопление клеток, которые делятся не переставая. Недаром его зачастую описывают как «вышедший из-под контроля процесс обновления клеток».
Рис. 12. Гены и болезни, связанные с теломерами. Гены, отвечающие за состояние теломер, способны защитить нас от ряда распространенных хронических заболеваний, но точно так же они могут повысить риск развития определенных видов рака. Вариация гена, увеличивающая количество теломеразы и теломерных белков, способствует большей длине теломер. Благодаря этой природной уловке снижается риск многих возрастных заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых болезней и болезни Альцгеймера. Но повышенное содержание теломеразы также приводит к тому, что у клеток, склонных перерождаться в раковые, может начаться неконтролируемое деление, из-за чего возрастает риск возникновения опухоли мозга, меланомы и рака легких. Так что больше – далеко не всегда лучше!
Нет никакого смысла в том, чтобы закармливать здоровые клетки искусственной теломеразой, которая спровоцирует их превращение в злокачественные. До тех пор пока безопасность средств на основе теломеразы не будет доказана в масштабных долгосрочных исследованиях, лучше воздержаться от употребления таблеток, кремов или инъекций, которые – если верить заявлениям производителей – увеличивают уровень этого фермента в организме. Иначе в зависимости от индивидуальной предрасположенности вы рискуете повысить вероятность развития одного или нескольких видов рака (например, меланомы, рака легких или опухоли мозга). Неудивительно, что наши клетки держат теломеразу под строгим контролем.
Приняв во внимание эту пугающую информацию, вы, вероятно, спросите: с какой стати мы вообще предлагаем вам стимулировать выработку теломеразы? Ответ заключается в том, что существует огромная разница между естественной физиологической реакцией организма на приведенные в книге рекомендации, касающиеся здорового образа жизни, и употреблением искусственных добавок. Каким бы «натуральным» ни было растение, из которого их изготовили, не забывайте, что растения – это настоящие природные заводы по производству химического оружия, в ходе эволюции обзаведшиеся целым арсеналом сильных химикатов для борьбы с голодными животными и болезнетворными микроорганизмами. Мы же предлагаем стимулировать активность теломеразы мягкими способами, да и уровень фермента они повышают лишь в безопасных пределах. Не стоит переживать: если вы решите последовать нашим советам, вероятность заболеть раком ничуть не возрастет. Уровень теломеразы просто не сможет повыситься до опасных значений.
Как бы парадоксально это ни звучало, но следить за состоянием своих теломер нужно в том числе и для борьбы с раком. Отдельные его виды чаще развиваются, если теломеры становятся слишком короткими из-за недостатка теломеразы. Это, в частности, относится к лейкемии, раку кожи (за исключением меланомы) и к некоторым разновидностям рака желудочно-кишечного тракта, например к раку поджелудочной железы. Доказательством служит тот факт, что у людей, рожденных с мутацией, которая деактивирует ген теломеразы, повышен риск развития этих онкологических заболеваний. Они возникают из-за того, что гены, потеряв защиту в виде теломер, становятся более уязвимыми, а повреждение генов в конечном итоге может привести к раку. Кроме того, при низком уровне теломеразы теломеры в иммунных клетках ослабевают. Обычно иммунная система бдительно следит за всеми чужеродными угрозами, в число которых входят вредоносные раковые клетки, а также поступающие извне патогенные микроорганизмы: бактерии и вирусы. Если теломеры недостаточно длинные, чтобы эффективно защищать генетический материал хромосом, клетки иммунной системы быстро стареют.
Избыток теломеразы (даже при наличии нормальной вариации ее гена) повышает риск развития некоторых видов рака. А чересчур активная теломераза начинает питать большинство разновидностей раковых клеток, стоит только обычным клеткам переродиться в злокачественные. Впрочем, и темная сторона теломеразы может не навсегда остаться такой уж темной. Ученые установили, что теломераза становится гиперактивной приблизительно в 80–90 % случаев всех злокачественных новообразований, причем ее уровень возрастает в десятки и сотни раз по сравнению с концентрацией теломеразы в обычных клетках. Весьма вероятно, что это открытие однажды поможет создать мощное оружие для борьбы с раком. Раз уж для неконтролируемого роста раковым клеткам нужна теломераза, то, возможно, от рака можно вылечить, если выборочно дезактивировать теломеразу исключительно в клетках опухоли. Исследователи усердно разрабатывают эту концепцию.
Некоторые иммунные клетки выполняют роль камер видеонаблюдения, расставленных в каждом уголке нашего организма. Когда эти клетки становятся старыми, «видеокамеры запотевают» и упускают из виду чужеродные раковые клетки. В результате группа быстрого реагирования, которая должна выдвигаться к месту происшествия в случае опасности, остается в неведении и не предпринимает никаких действий. Таким образом, из-за ослабленных теломер наша иммунная система с большей вероятностью проиграет борьбу с раком (или болезнетворным микроорганизмом).
Необходимо точно регулировать степень воздействия теломеразы на теломеры, чтобы она восстанавливала их лишь в нужных клетках и в нужное время: только так мы сможем оставаться здоровыми. Организм знает, как это делать, а мы, в свою очередь, поможем ему справиться с этой задачей, если будем придерживаться образа жизни, который способствует омоложению клеток.
Вы можете влиять на свои теломеразу и теломеры
К рубежу тысячелетий ученые уже привыкли воспринимать теломеразу и теломеры как основные элементы механизма клеточного старения. Но когда выяснилось, что снижение уровня теломеразы всего в два раза способно вызвать такое тяжелое последствие, как развитие теломерных синдромов, внимание научной общественности резко переключилось на гены, которые определяют длину теломер и содержание теломеразы в организме.
Именно тогда я (Элисса), получив ученую степень, приступила к работе на кафедре психологии здоровья в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Сьюзан Фолкман – ныне бывший директор Центра интегративной медицины имени Ошера, а также пионер в области методов преодоления стресса, – предложила мне присоединиться к группе исследователей, которые брали интервью у матерей, чьи дети страдали серьезными хроническими заболеваниями. Очевидно, эти женщины постоянно подвергались сильнейшему психологическому стрессу.
Я глубоко сочувствовала этим заботливым матерям, которые выглядели изможденными и значительно старше своего хронологического возраста. К тому времени Элизабет, переехавшая в Сан-Франциско, поселилась в студенческом городке Калифорнийского университета, и я следила за ее работой. Познакомившись с ней, я рассказала об ухаживающих за больными детьми матерях, которые участвовали в нашем исследовании. Если мне удастся договориться о финансировании, то можно ли будет проанализировать уровень теломеразы и длину теломер у этих женщин? Стоит ли вообще затевать изучение потенциального влияния стресса на сокращение теломер и преждевременное старение клеток?
Как и большинство молекулярных биологов того времени, я (Элизабет) рассматривала теломеры с одной конкретной и довольно узкой точки зрения. На мой взгляд, структура теломер поддерживалась исключительно на клеточно-молекулярном уровне и контролировалась специальными генами. Но когда Элисса задала вопрос о матерях, которые заботятся о больных детях, передо мной открылся совершенно новый взгляд на проблему. Я отреагировала не только как ученый, но и как мать. «Нам нужно еще лет десять, только чтобы в полной мере изучить генетику теломер», – произнесла я с долей сомнения в голосе, одновременно представляя, какому колоссальному стрессу подвергаются эти несчастные женщины. Я задумалась над тем, насколько матери, чьи дети страдают серьезными хроническими заболеваниями, истерзаны ежедневными заботами. Может, наши теломеры тоже с годами становятся такими? «Да, – согласилась я. – Давай проведем это исследование, если удастся найти ученого в моей лаборатории, который возьмется помочь с измерениями». Руку подняла одна из моих докторантов, Цзюэ Линь. Она занялась разработкой более точного способа измерения уровня теломеразы в здоровых клетках человека, и работа закипела.
Мы отобрали группу матерей, каждая из которых ухаживала за тяжелобольным ребенком. Любая дополнительная жизненная трудность у испытуемых могла привести к неточным результатам, так что мы исключили женщин, у которых отмечались серьезные проблемы с собственным здоровьем. Аналогично мы подобрали контрольную группу, включавшую матерей, чьи дети были здоровыми. На тщательный отбор ушло несколько лет.
Мы взяли у каждой женщины образец крови и измерили длину теломер в лейкоцитах. Мы заручились помощью Ричарда Каутона из Университета Юты, который незадолго до того разработал более простой способ измерения длины теломер в лейкоцитах человека (с использованием метода под названием «полимеразная цепная реакция»).
В 2004 году мы получили результаты исследования. Я (Элисса) сидела в своем кабинете, распечатывая на принтере данные численного анализа. Я взглянула на диаграмму рассеяния и ахнула: она в точности отражала зависимость, существование которой мы предполагали. Данные показывали, что длина теломер и уровень теломеразы находятся в обратной зависимости от уровня стресса, которому были подвержены испытуемые.
Я немедленно позвонила Элизабет. «Пришли результаты, – сказала я. – Причем данные еще поразительнее, чем мы могли себе представить».
Нас интересовал вопрос: может ли образ жизни влиять на длину теломер и количество теломеразы? Теперь у нас на руках был ответ.
Да.
Да, у матерей, которые, по их собственной оценке, подвергались наибольшему стрессу, уровень теломеразы оказался наименьшим.
Да, у матерей, которые, по их собственной оценке, подвергались максимальному стрессу, оказались самые короткие теломеры.
Да, у матерей, которые ухаживали за больными детьми дольше всего, теломеры были короче, чем у остальных.
Это тройное «да» означало, что полученные результаты не были случайностью или статистическим выбросом. Это также означало, что наш жизненный опыт, равно как и наша реакция на него, способны изменять длину теломер. Иными словами, человек может влиять на то, как он стареет, на самом базовом, клеточном, уровне.
На протяжении веков медики спорили о том, можно ли ускорить, замедлить или и вовсе обратить вспять процесс старения. Исследование, в котором участвовали матери больных детей, кардинально изменило наше представление о старении человека. Мы узнали, что своими действиями люди способны оберегать теломеры – а вместе с ними и клетки тела – от преждевременного старения. Вероятно, клеточное старение, вызванное износом теломер, может даже частично давать обратный ход. Шли годы, результаты того первого исследования находили дальнейшие подтверждения в других работах, о которых вы прочтете ниже. Выяснилось, что на состояние теломер влияют очень многие факторы, связанные с образом жизни.
Рис. 13. Зависимость длины теломер от продолжительности хронического стресса. Чем больше времени прошло с того момента, как у ребенка диагностировали хроническую болезнь, то есть чем больше времени его мать подвергалась постоянному стрессу, тем короче были ее теломеры {2}.
Оставшуюся часть книги мы посвятили описанию различных естественных способов, позволяющих повышать уровень теломеразы и восстанавливать теломеры. В основе этих рекомендаций лежат результаты проведенных нами исследований, в одних из которых мы измеряли только длину теломер, в других – только уровень теломеразы, а в третьих – оба параметра. Вы можете пополнить ряды первооткрывателей, используя результаты наших исследований, для того чтобы изменить собственное восприятие жизни, лучше заботиться о своем теле и эффективнее взаимодействовать с окружающими. И все ради того, чтобы защитить свои теломеры и надолго сохранить здоровье.