Абсолютные генетические братья, почти клоны… Одни променяли вечную молодость на секс, другие предпочли размножаться без партнера и при этом не стареть. Но люди узнали секрет «тепличных» червей. Теперь биологи думают, как сохранить людям секс и вернуть утраченную вечную молодость. Автор работы Томас Тэн из Ноттингемского университета рассказал о поисках генетического секрета вечной молодости и бессмертия.
ПЛАНАРИИ КАК ЛЮДИ
«Плоские черви Schmidtea mediterranea (планарии) — уникальный объект для изучения механизмов человеческого старения, — рассказывает ДМ Томас Тэн. — Эти животные — беспозвоночные, всего лишь черви. Казалось бы, что может быть общего между человеком и хищным червем? Совершенно ничего, если говорить о строении нервной, пищеварительной или иной системы. Но при этом «рецепт» теломеры — повторы нуклеотидной последовательности концевого участка хромосомы, из-за изнашивания которого клетки перестают обновляться и организм стареет (умирает), — у S. mediterranea и человека одинаков». О теломерной схожести человека и плоских червей ученые сообщали еще в 1996 году, после чего эти данные несколько раз подтверждались. И все-таки биологи из Ноттингемского университета сначала убедились, что концы хромосом плоских червей и человека совпадают, и уже после затеяли экспериментальную канитель.
«Это основной аргумент в пользу того, почему в качестве объекта исследования мы выбрали именно S. mediterranea. Более того, эти черви обладают уникальными регенеративными способностями, — продолжает Томас Тэн. — Еще в начале XIX века биологи назвали планарию фактически бессмертной под лезвием ножа. Плоские черви могут восстанавливать любую часть организма почти с нуля. Они еще и размножаются двумя способами — как половым, так и бесполым, т. е. путем поперечного деления пополам с последующим восстановлением до целого животного. Размножающиеся половым способом планарии — гермафродиты, они имеют соответствующие органы для внутреннего оплодотворения. У бесполых особей (асексуальных планарий) нет ни функциональных органов размножения, ни половых желез. Видимо, чтобы не искушаться: быстренько расщепился на половинки и дорастил недостающую часть — что еще надо? И это при наличии нервной системы, хоть и примитивной… Кстати, половую особь тоже можно ополовинить: наличие гонад — не помеха для доращивания отсутствующих 50% тела, но бесконечно повторять цикл подобного восстановления они не могут. Планарии распространены в морях и пресных водоемах, есть также наземные формы. Способ размножения червей зависит от места обитания. Так, если черви обитают в нестабильных экологических условиях, то они размножаются половым способом — это позволяет животным увеличить генетическое разнообразие и приспособиться к меняющимся сложным условиям окружающей среды. Планарии, обитающие в более мягких, тепличных условиях, предпочитают бесполое размножение, в результате которого генетическое разнообразие не увеличивается, но зато очень быстро растет численность популяции.
|
 
НОБЕЛЬ ЗА ХРОМОСОМЫ И ХВОСТЫ
В 2009 году Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth H. Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) и Джек Жостак
(Jack W. Szostak) получили Нобелевскую премию за открытие о том, как хромосомы защищены теломерами ферментом теломеразой.
Теломеразу открыли Блэкбёрн и Грейдер в 1985 году. Теломераза — это фермент, с которым связана РНК-матрица. Он достраивает к
ДНК повторяющиеся короткие последовательности нуклеотидов, поддерживая таким способом длину теломер, которые предотвращают
повреждение хромосом и стабилизируют их. Теломераза активна в половых клетках, а в соматических (неполовых) клетках в течение
жизни организма теломеры постоянно укорачиваются. Таким способом автоматически регулируется продолжительность жизни клетки; у
человеческой клетки механизм самоуничтожения включается примерно через 50 делений. Жостак занимается исследованиями в области
генной инженерии. Он создал искусственные хромосомы дрожжей.
|
|
КЛЕТОЧНОЕ БЕССМЕРТИЕ
Самые известные бессмертные клетки — это линия HeLa, выделенная из опухоли шейки матки пациентки Ген риетты Лэкс (Henrietta Lacks). Женщина умерла еще в 1951 году, а ее клетки живы до сих пор. Сейчас суммарная масса всех культур клеток HeLa в 400 раз превышает массу тела пациентки. Хро мосомы клеток HeLa имеют неукорачивающиеся теломеры. Так как в некоторых видах раковых клеток «хвосты бессмертия» не укорачиваются, то и клетки живут вечно. «Горящие хвосты» хромосом в раковых клетках так и не сгорают из-за того, что фермент теломераза неустанно достраивает расходуемые нуклеотидные повторы. Но если в культуру бессмертных клеток добавить блокатор теломеразы (антисмысловую РНК), то они теряют свое бессмертие — клетки HeLa умирают примерно после 25-го деления. Некоторые раковые клетки используют альтернативный «эликсир жизни» — они доращивают теломеру без теломеразы. Известны мутации, ассоциированные с альтернативным бессмертием, — например, в генах ARTX и DAXX. По какому механизму они работают, ученые пока не знают
|
|
Длина этих плоских червей — от нескольких миллиметров до 60 сантиметров.
Тело покрыто ресничным эпителием, ротовое отверстие располагается на брюшной стороне. Анального отверстия у планарий нет,
поэтому непереваренные остатки пищи выводятся через рот. Добычу черви захватывают с помощью выдвигающейся глотки, дышат через тонкие
покровы тела. Нервная система состоит из скоплений нервных клеток (мозговых ганглиев) и продольных нервных стволов, соединенных
перемычками.
|
|
TERT — это субъединица (составная часть) теломеразы; этот белок — обратная транскриптаза, фермент, создающий одноцепочечную ДНК на основе шаблонной одноцепочечной РНК.
|
ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗА
Но самые интересные для генетиков части планарии — теломеры и теломераза. Первые — это концевые участки ДНК, бессмысленные хвосты, которые не содержат генов и не копируются в матричную РНК. Однако эти нуклеотидные пустышки играют важную роль. За них цепляется ДНК-полимераза, когда копирует ДНК перед делением. Но не с краю, а словно садится на молекулу. Поэтому самый кончик теломеры полимераза не копирует, а начинает двигаться в другую сторону. Так что при плановом обновлении тканей или при заживлении ран хромосомные хвосты изнашиваются. Бесхвостые хромосомы прекращают удваиваться. Более того, клетки с изношенными теломерами не просто не обновляются, но и в целом хворают, проявляя признаки генетической нестабильности. ДНК бестеломерных хромосом более уязвима к действию мутагенов. Теломераза — это фермент, который доращивает хромосомные хвосты и тем самым возвращает клетке былую молодость и репродуктивные способности. «У эукариотических (ядерных) организмов, размножающихся половым способом, теломераза работает в клетках зародышевой линии и в процессе формирования половых клеток, — продолжает Томас Тэн. — У человека, например, теломеры удлиняются только в стадии эмбриона и в процессе формирования половых клеток.
А в соматических клетках человека, как и других видов животных, нет механизмов регуляции теломеразной активности. И эта же проблема необратимого старения касается стволовых клеток, которые участвуют в регенерации тканей». Асексуальным планариям подобные проблемы вообще неведомы — тепличные популяции не стареют. Да и получается, что, по-хорошему, асексуальные планарии вовсе не умирают: разделился червь надвое — и каждая половинка начала новую жизнь. Никаких морщин, обвисшей кожи и даже онкологических опухолей, которые возникают, кстати, из-за тех же теломер!
БЕССМЕРТНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Мы предположили, что у асексуальных планарий есть особенные механизмы, позволяющие теломерам обновляться в соматических клетках. И даже в первом эксперименте, в котором мы просто сравнивали длину теломер, стало очевидно, что теломеры у двух разных популяций разные. Так, у асексуальных планарий, прошедших последнее расщепление семь дней назад, длина теломер была много больше, чем у новорожденных планарий, появившихся на свет в результате полового размножения. Впрочем, в обеих группах планарий с возрастом теломеры изнашивались, но асексуальные особи каким-то способом восстанавливали теломеру в соматических клетках. И те и другие сохраняют способность регенерировать даже при полной утрате какой-либо части тела. Но, как выяснили ученые под руководством Томаса Тэна, у особей с половым размножением теломеры сгорали уже после трех последовательных циклов регенерации, а у асексуальных червей, напротив, последовательные циклы регенерации приводят к удлинению хромосомного хвоста. В этом эксперименте постоянно регенерирующие планарии по длине теломер превзошли даже контрольную группу червей, которым ничего доращивать не приходилось. Это означало, что у асексуальных особей регенерация запускает некий генетический механизм, который обновляет хромосомы. В эксперименте с облученными червями, которые были лишены стволовых клеток и их первых потомков, мы выяснили, что теломераза активизируется именно в стволовых клетках. Причем у половых особей при регенерации уровень теломеразы тоже увеличивается, но его оказывается недостаточно, чтобы восстановить теломеры. А вот у асексуальных особей срабатывает механизм, который при регенерации обновляет теломеры. Экспериментаторы идентифицировали и выделили один ген, схожий с человеческим, который кодирует TERT (telomerase reverse transcriptase) — белок, необходимый для доращивания износившихся хромосомных хвостов.
ГЕН ВЕЧНОГО РЕМОНТА
Ген, который мы выделили (smed-tert), по-разному работает в популяциях планарий, размножающихся половым и бесполым способами. Пока мы не можем утверждать, что только эта последовательность обеспечивает стволовым клеткам планарий вечную молодость. Но ценность модели эксперимента состоит в том, что мы использовали «генетических братьев», которые отличаются способом размножения. И на примере этих «генетических братьев» мы нашли различия, которые связаны с регенеративными способностями животных. Но это только начало работы: мы планируем заглянуть глубже и описать эти механизмы регенерации асексуальных червей подробнее. Не исключено, что у человека тоже есть похожие гены и механизмы, которые в обычном состоянии инактивны. Если это так, то, вероятно, получится найти не то чтобы эликсир вечной жизни, но нечто похожее — необходимое человеку для восстановления поврежденных тканей. Кстати, эти же механизмы могут быть вовлечены в некоторые патологические процессы, в перерождение здоровых клеток в онкологические, например.
Определить свой биологический возраст
Статьи разных авторов
Статьи П.Лейман и Л.Лейман
Каталог статей
