Вся наследственная информация, наш геном, хранится в хромосомах в молекулах ДНК. Уже в 1930 году Герман Мёллер (Нобелевская премия 1946 года) и Барбара Мак-Клинток (Нобелевская премия 1983 года) сделали такое предположение: структуры на концах хромосом, теломеры, могут играть защитную роль. Но как именно они работают – оставалось загадкой.
Разгадка забрезжила, когда ученые начали понимать, как именно происходит копирование генов. Когда клетка готовится к митозу, молекулы ДНК должны удвоиться, им помогает в этом фермент ДНК-полимераза, которая «садится» на одну из копируемых нитей на самом ее конце. Оловников рассказывал, что эта идея пришла ему в голову в метро, где он наблюдал за ремонтом путей. Рабочая вагонетка доходила до конца рельса и останавливалась, в результате рельс под ней оказывался не замененным. Такой же процесс происходит на самом конце ДНК, на котором «крепится» фермент. Он оказывается нескопированным, и при каждом последующем делении хромосома сокращается на эту величину недорепликации. Это происходит во многих клетках, но не во всех. Почему же бывают исключения?
Хромосому защищает концевой участок с повторяющимися основаниями ТТАГГГ, теломера. Эта последовательность, в отличие от триплетов, не кодирует белков. В каждой хромосоме таких одинаковых последовательностей несколько десятков. Так что, хоть при каждом делении участков теломер становится на одну меньше, клетка может совершать определенное число делений, почти не замечая такого убывания. Однако, когда теломер не остается, клетка перестает делиться, стареет и совершает апоптоз – самоуничтожение. Большинство нормальных клеток не делятся часто, поэтому их хромосомы не подвергаются риску сокращения. Многие ученые полагают, что укорочение теломер может быть причиной старения – как отдельных клеток, так и организма в целом. В отличие от нормальных клеток, злокачественно перерожденные, раковые клетки обладают способностью к неограниченному делению – и все же сохраняют свои теломеры. Было высказано предположение, что существует особый механизм или фермент, восстанавливающий длину теломер, в результате которого клетки способны практически к неограниченному делению.
Под Рождество 1984 года будущий нобелевский лауреат Кэрол Грейдер обнаружила признаки ферментативной активности в клеточном экстракте, который она исследовала. Так был открыт фермент теломераза. Его функция состоит в том, чтобы достраивать теломеру ДНК и обеспечивать таким образом платформу, которая позволяет ДНК-полимеразе скопировать всю длину хромосомы, не пропуская ее самую концевую часть. Исследователи изучили этот фермент: он оказался обратной транскриптазой; с ней связана особая молекула РНК, которая используется в качестве матрицы для обратной транскрипции во время удлинения теломер. Злокачественные клетки избегают клеточного старения и способны к неограниченной пролиферации (делению), так как в них увеличена активность теломеразы.
Со злокачественными опухолями организму бороться тяжело, потому что наша иммунная система не распознает их как чужеродные, и их деление выходит из-под контроля. Медицина достигла больших успехов в лечении онкологических заболеваний. Например, когда один из авторов этой книги защищал кандидатскую диссертацию на базе Гематологического научного центра, длительной ремиссии (другими словами, практически полного выздоровления) достигали только 20 % детей с лимфолейкозами. Теперь с этим видом лейкоза научились бороться, и выздоравливают уже 80 % детей. Однако не все виды опухолей поддаются терапии, и общего подхода к лечению онкобольных до сих пор не найдено. Поскольку в большинстве видов опухолей неограниченное деление клеток достигается за счет повышенной активности в них теломеразы, именно она могла бы быть мишенью для препаратов против рака. А значит, нужен препарат, который сможет отключить теломеразу в раковых клетках. Тогда процесс сокращения теломер возобновится, хромосомы в ходе интенсивного деления истощатся – и раковые клетки погибнут.
В настоящее время проводятся клинические исследования с целью оценки соединений, направленных против клеток с повышенной активностью теломеразы. Это одно из направлений практического использования открытия теломеразы. Другое связано с изучением привычек и образа жизни, способствующих удлинению теломер. Новейшие данные позволяют считать, что умеренные физические нагрузки увеличивают длину теломер, затормаживая старение. Для взрослого человека это 150–300 минут в неделю аэробной активности и 1–2 раза в неделю работы с легкими весами. Такие цифры приведены в исследовании 2018 года.
Исследования теломеразы продолжаются, ведь они связаны с ключевыми проблемами: старением и борьбой с раком.
Индуцированные стволовые клетки: чудесные метаморфозыДжон ГёрдонСинъя Яманака
Каждый человек когда-то был оплодотворенной яйцеклеткой. В первые дни после зачатия эмбрион состоит из незрелых клеток, и каждая из них способна развиться в любую из тканей, образующих взрослый организм. Это плюрипотентные стволовые клетки. При дальнейшем развитии эмбриона они дают начало новым клеткам – нервным, мышечным, костным и так далее. Каждая из них специализируется на выполнении конкретной задачи во взрослом организме. Ранее считалось, что путь от плюрипотентной клетки до клетки с узкой специализацией возможен только в одну сторону. Исследователи полагали, что во время созревания клетка изменяется таким образом, что возвращение к незрелой, плюрипотентной стадии невозможно. Но британский биолог Джон Гёрдон опроверг эту догму. Он утверждал, что геном специализированной клетки может по-прежнему содержать всю информацию, необходимую для любого «выбора» пути развития. В 1962 году он проверил свою гипотезу, заменив ядро яйцеклетки лягушки ядром из зрелой специализированной клетки, полученной из кишечника головастика. В результате яйцеклетка превратилось в полноценного клонированного головастика, а следующие эксперименты позволили получить взрослую лягушку. Получалось, что ядро зрелой клетки не утрачивало способность стимулировать развитие полноценного организма и хранило в себе «дорожную карту» для любого типа клеток.
Сначала открытие Гёрдона было встречено со скептицизмом, но несколько ученых повторили его эксперименты, и сомнений в правоте британского биолога не осталось. После этого Джон Гёрдон инициировал интенсивные исследования, доработал технологию эксперимента и в результате сумел клонировать не только земноводных, но и млекопитающих, первым и самым известным из которых стала овечка Долли, родившаяся в 1996 году. Теперь Гёрдона называют «крестным отцом клонирования». Его эксперимент заключался в отборе клеточных ядер с последующим их введением в другие клетки. Но, пожалуй, главным наследием его открытий стало понимание того, что ядро зрелой специализированной клетки может быть возвращено в незрелое, плюрипотентное состояние. Эта интересная и амбициозная задача и встала теперь перед учеными.
Японец Синъя Яманака смог справиться с ней только через 40 с лишним лет после открытия Гёрдона. Исследования японского ученого касались эмбриональных стволовых клеток, то есть плюрипотентных стволовых клеток, выделенных из эмбриона и культивированных в лаборатории. Первоначально такие стволовые клетки выделил у мышей Мартин Эванс, за что и получил Нобелевскую премию в 2007 году. Яманака попытался определить гены, благодаря работе которых эти клетки оставались в плюрипотентном состоянии. Идентифицировав несколько из них, он решил проверить, можно ли с их помощью перепрограммировать зрелые клетки так, чтобы они вновь стали плюрипотентными.
Яманака и его сотрудники помещали разные комбинации генов-кандидатов в зрелые клетки соединительной ткани (фибробласты) и наблюдали за результатами под микроскопом. Наконец ученые нашли комбинацию, которая сработала. Рецепт оказался на удивление прост: всего четыре гена обладают способностью перепрограммировать клетки соединительной ткани в незрелые стволовые клетки!
Полученные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки могли развиться в нервные клетки и клетки кишечника. Открытие того, что неповрежденные зрелые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные стволовые клетки, было опубликовано в 2006 году и воспринято как серьезный прорыв в науке.
Открытия Гёрдона и Яманаки показали, что в определенных условиях специализированные клетки могут повернуть вспять весь свой жизненный путь. Серьезные изменения, которые происходят в процессе их развития, не являются необратимыми. Ученые, открывшие новый взгляд на жизненный цикл клетки, в 2012 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие того, что зрелые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные».
Исследования последних лет показали, что из индуцированных плюрипотентных клеток можно получить огромное количество различных типов функциональных клеток. Открытия Гёрдона и Яманаки предоставили новые инструменты для ученых во всем мире и привели к заметному прогрессу во многих областях медицины.
Например, клетки кожи, взятые у пациентов с различными заболеваниями, можно перепрограммировать и исследовать в лаборатории, чтобы определить, чем они отличаются от клеток здоровых людей. Такие клетки представляют собой очень ценные инструменты для понимания механизмов болезней и дают новые возможности для развития методов лечения.
В разное время Джон Гёрдон работал во многих авторитетных вузах: например, в Оксфордском и Кембриджском университетах, в Калифорнийском технологическом институте. Кроме того, он занимал ключевые позиции еще в одной организации, названной в честь известного специалиста, чьи работы были связаны с получением плюрипотентных клеток – в институте Джона Гёрдона. Именно такое имя с 2004 года носит институт онкологических исследований и биологии развития в Кембридже.