Биологи экспериментально подтвердили способ, которым можно вернуть молодость всем тканям организма. Им удалось запустить работу фермента, который откручивает обратно часы клеточного времени и старения.
Преодолеть старение органов и тканей у мышей путем надстройки теломер в стволовых клетках удалось ученым из медицинского факультета Гарварда (Harvard Medical School, Бостон, США). Теломеры -- повторы коротких последовательностей нуклеотидов на концах хромосом -- рассматривают как маркер старения. При каждом делении клетки они укорачиваются из-за неспособности фермента ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого конца.Остается неудвоившийся конец, который не попадает в дочернюю клетку.
теломераза Фермент, надстраивающий теломеры при делении клетки. Это обратная транскриптаза, использующая матрицу РНК для синтеза последовательности ДНК, с помощью которой удлиняется теломера.
Теломеры могут надстраиваться до прежней длины при помощи специального фермента -- теломеразы, которая работает в стволовых и половых клетках. Теломераза привлекает большое внимание специалистов, занимающихся проблемами старения. Но использовать теломеразный механизм, чтобы повернуть вспять деградацию тканей, до сих пор еще не удавалось.
Стареющие мутанты
Роналд Депиньо (Ronald A. DePinho) и его команда работали на мутантных мышах. У них теломераза не работала даже в тех клетках, в которых должна -- в стволовых и половых. Выделенные из них фибробласты могли делиться не более четырех-пяти раз, после чего деградировали. А у самих мышей во вполне молодом возрасте появлялись признаки старения: деградировали семенники, селезенка, исчезла способность к размножению. В головном мозге затормозился нейрогенез: снизилось число нейральных стволовых клеток и их превращение в нейроны и глиальные клетки – олигодендроциты. А из-за недостатка последних длинные отростки нейронов – аксоны потеряли часть своих изоляционных миелиновых оболочек. В итоге мозг мутантов стал меньше и легче по сравнению с мозгом нормальных мышей. Кроме того, у мутантов нарушилось обоняние (как обычно происходит у старых животных), так как обонятельный эпителий деградировал.
Атрофия обратима
апоптоз Запрограммированная клеточная смерть. Форма гибели клетки, при которой она уменьшается в размерах, хроматин конденсируется и фрагментируется, мембрана уплотняется, и клеточное содержимое уничтожается без выхода в окружающую среду.
миелиновая оболочка Электроизолирующая оболочка, покрывающая аксоны многих нейронов. Ее образуют глиальные клетки, в центральной нервной системе - олигодендроциты. Они накручиваются на аксон, покрывая его множественными слоями мембраны. Изоляция намного увеличивает скорость проведения нервного импульса.
Эксперимент показывает, считают авторы, что стволовые клетки взрослого организма, находящиеся в дремлющем состоянии, можно вернуть к активной жизни и размножению, если активизировать восстановление теломер. В данном эксперименте моделью послужили мутантные мыши с неработающей теломеразой, но то же самое происходит и при возрастных изменениях в организме. Работа продемонстрировала принципиальную возможность омоложения тканей путем активизации теломеразы. Хотя на этом пути надо быть очень осторожными, так как теломераза активна в раковых клетках. В данном эксперименте ученые не столкнулись с раковым перерождением тканей, однако исключить такую возможность нельзя.
Теломеры представляют собой повторяющуюся последовательность ДНК на концах хромосом. Всякий раз, когда клетка воспроизводится, теломеры становятся короче. В конечном счёте, теломеры изнашиваются, и клетка более не способна делиться и омолаживаться, в результате чего здоровье клетки ухудшается, что увеличивает риск болезни. В итоге клетка погибает.
В 1962 американский учёный Л. Хейфлик произвёл переворот в области биологии клетки, создав концепцию теломер, известную как лимит Хейфлика. По мнению Хейфлика, максимальная (потенциально) продолжительность человеческой жизни составляет сто двадцать лет – это возраст, когда слишком большое количество клеток уже не способно к делению, и организм умирает.
Механизм, посредством которого питательные вещества влияют на длину теломер, заключается в том, что еда оказывает воздействие на теломеразу, энзим, добавляющий теломерные повторы к концам ДНК.
Теломеразе посвящены тысячи исследований. Они известны тем, что поддерживают геномную стабильность, предотвращают нежелательную активацию путей повреждения ДНК и регулируют старение клеток.
В 1984 Элизабет Блэкбёрн, профессор биохимии и биофизики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, обнаружила, что энзим теломераза способен удлинять теломеры, синтезируя ДНК из РНК-праймера. В 2009 Блэкбёрн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за открытие того, как теломеры и энзим теломераза защищают хромосомы.
Вполне возможно, что знание о теломерах даст нам возможность значительно увеличить продолжительности жизни. Естественно, исследователи занимаются разработкой фармацевтических средств такого рода, но существуют достаточные свидетельства того, что простой образ жизни и правильное питание тоже эффективны.
Это радует, поскольку короткие теломеры суть фактор риска – они приводят не только к смерти, но и к многочисленным заболеваниям.
Так, укорачивание теломер связывают с заболеваниями, список которых приведён ниже. Исследования на животных показали, что многие заболевания могут быть устранены благодаря восстановлению функции теломеразы. Это и пониженная сопротивляемость иммунной системы инфекциям, и диабет второго типа, и атеросклеротическое повреждение, а также нейродегенеративные болезни, тестикулярная, селезёночная, кишечная атрофия.
Результаты всё большего числа исследований показывают, что определённые нутриенты играют значительную роль в деле защиты длины теломер и оказывают значительное влияние на продолжительность жизни, в их числе – железо, жиры омега-3, а также витамины E и C, витамин D3, цинк, витамин B12.
Ниже приведено описание некоторых питательных веществ такого рода.
Астаксантин
Астаксантин обладает прекрасным противовоспалительным действием и эффективно защищает ДНК. Исследования показали, что он способен защищать ДНК от повреждения, вызванного гамма радиацией. Астаксантин обладает множеством уникальных черт, которые делают его выдающимся соединением.
Например, это самый мощный окислитель-каротиноид, способный «вымывать» свободные радикалы: астаксантин в 65 раз эффективнее витамина C, в 54 раза – бета-каротина и в 14 раз – витамина E. Он в 550 раз более эффективен, нежели витамин E, и в 11 раз более эффективен, нежели бета-каротин, в деле нейтрализации синглетного кислорода.
Астаксантин преодолевает и гемоэнцефалический, и гематоретинальный барьер (бета-каротин и каротиноид ликопин на это не способны), благодаря чему мозг, глаза и центральная нервная система получают антиокислительную и антивоспалительную защиту.
Другое свойство, отличающее астаксантин от иных каротиноидов, выражается в том, что он не может действовать как проокислитель. Многие антиоксиданты действуют как прооксиданты (т. е., они начинают окислять, вместо того, чтобы противодействовать окислению). Однако астаксантин, даже в больших количествах, не действует как окислитель.
Наконец, одно из самых важных свойств астаксантина – его уникальная способность защищать всю клетку от разрушения: как водорастворимую, так и жирорастворимую её части. Другие антиоксиданты влияют лишь либо на одну, либо на другую часть. Уникальные физические характеристики астаксантина позволяют ему находиться в клеточной мембране, защищая также внутреннюю область клетки.
Прекрасным источником астаксантина является микроскопическая водоросль Haematococcus pluvialis, растущая на Шведском архипелаге. Кроме того, астаксантин содержит старая добрая черника.
Убихинол
Убихинол - восстановленная форма убихинона. По сути, убихинол – это убихинон, присоединивший к себе молекулу водорода. Содержится в брокколи, петрушке и апельсинах.
Ферментированные продукты/пробиотики
Совершенно очевидно, что диета, состоящая, преимущественно, из переработанных продуктов, сокращает продолжительность жизни. Исследователи считают, что в будущих поколениях возможны множественные генетические мутации и функциональные расстройства, приводящие к болезням – по той причине, что нынешнее поколение активно потребляет искусственные и переработанные продукты.
Отчасти, проблема заключается в том, что переработанные продукты, изобилующие сахаром и химическими веществами, эффективно уничтожают кишечную микрофлору. Микрофлора влияет на иммунную систему, которая, является естественной защитной системой тела. Антибиотики, стресс, искусственные подсластители, хлорированная вода и многие другие явления также уменьшают объём пробиотиков в кишечнике, что предрасполагает организм к болезням и преждевременной старости. В идеале, рацион должен включать традиционно культивируемые и ферментированные продукты.
Витамин K2
Этот витамин вполне может быть «ещё одним витамином D», поскольку исследования показывают многочисленные блага этого витамина для здоровья. Большинство людей получает адекватное количество витамина K2 (поскольку он синтезируется самим организмом в тонком кишечнике), которое позволяет поддерживать коагуляцию крови на адекватном уровне, но этого количества не достаточно, чтобы защитить организм от серьёзных проблем со здоровьем. Например, проведённые в последние годы исследования показывают, что витамин K2 может защищать организм от рака предстательной железы. Витамин K2 также благотворен для здоровья сердца. Содержится в молоке, сое (в больших количествах – в натто).
Магний
Магний играет важную роль в деле воспроизводства ДНК, его восстановлении и синтезе рибонуклеиновой кислоты. Долгосрочный дефицит магния приводит к сокращению теломер в телах крыс и клеточной культуре. Недостаток ионов магния негативно влияет на здоровье генов. Нехватка магния понижает способность тела восстанавливать повреждённую ДНК и вызывает в хромосомах аномалии. В целом, магний влияет на длину теломер, поскольку связан со здоровьем ДНК и её способностью восстанавливаться, а также повышает сопротивляемость организма окислительному стрессу и воспалению. Содержится в шпинате, спарже, пшеничных отрубях, орехах и семечках, фасоли, зелёных яблоках и салате, в сладком перце.
Полифенолы
Полифенолы – мощные антиокислители, способные замедлять процесс.
1.2. КОРОТКИЕ ТЕЛОМЕРЫ И РАЗВИТИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Существует множество доказательств того, что укорочение теломер ассоциировано с развитием рака и, возможно, является предрасполагающим фактором для развития ряда онкологических заболеваний. Примером тому служат врожденные заболевания, в основе которых лежит первичная дисфункция теломеразы и, в частности, врожденный дискератоз. Врожденный дискератоз был первым идентифицированным у человека генетическим заболеванием, причиной которого является нарушение системы поддержания длины теломер. Это заболевание характеризуется гиперпигментацией кожи, ороговением эпителия, дистрофией ногтей и прогрессивной апластической анемией. У пациентов с врожденным дискератозом в 1000 раз повышен риск развития рака языка и примерно в 200 раз - риск развития острой миелоидной лейкемии . При апластической анемии, не связанной с дискератозом, для пациентов с наиболее короткими теломерами (при отсутствии мутаций) риск злокачественной трансформации заболевания в миелодисплазию или лейкемию повышен в 4-5 раз.
Наряду с другими изменениями, лишенные теломер концевые участки хромосом выявляются в культурах клеток костного мозга пациентов за годы до появления клинических симптомов злокачественных заболеваний. Так короткие теломеры лейкоцитов являются прогностическим фактором развития рака при синдроме Беретта (метаплазия слизистой оболочки и стриктуры пищевода в результате пищеводного рефлюкса) и язвенном колите .
Сотрудники Инсбрукского медицинского университета наблюдали за 787 участниками итальянского проспективного исследования Bruneck с 1995 по 2005 год. Возраст добровольцев составлял от 40 до 79 лет. В начале исследования у них определили длину теломер в лейкоцитах капиллярной крови. На тот момент у всех участников признаков рака обнаружено не было. За годы исследования у 11,7% добровольцев появилось какое-либо злокачественное новообразование. Рак кожи, кроме меланомы, не учитывался. Средняя длина теломер у пациентов с раком оказалась значительно меньше, чем у остальных участников исследования. После введения поправки на другие факторы риска оказалось, что по сравнению с теми, у кого длина теломер максимальна, добровольцы с самыми короткими теломерами в 3 раза больше рискуют заболеть раком и в 11 раз больше - умереть от него в 10-летний период. У участников исследования со средней длиной теломер риск рака оказался вдвое выше, чем у участников с наиболее длинными теломерами. При этом более короткие теломеры были чаще связаны с наиболее злокачественными опухолями, такими как рак желудка, легких и яичников . В чем же состоит взаимосвязь между существованием коротких теломер в клетке и развитием рака?
1.3. ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ И АПОПТОЗА
Одна из основных функций теломер - это защита генетической информации хромосом при делении клеток. Критически короткие теломеры неспособны защитить хромосомы от повреж¬дения при митозе (деление клетки). Их появление является сигналом для выхода клеток из митотического цикла. Критическим укорочением теломеры считается величина 3000-5000 пар нуклеотидов или менее 2 кb. Если этой величины достигает хотя бы одна теломера, то в клетке происходит резкое изменение метаболизма, и в первую очередь нарушение репликации ДНК, которые запускают механизмы клеточного сенесенса (репликативное старение) и апоптоза (гибель, разрушение клетки). Исключением из этого правила являются так называемые «иммортальные» (бессмертные) клетки, к которым относятся половые клетки, стволовые тотипотентные (способные дифференцироваться в любые клетки организма) клетки, а также клетки злокачественных опухолей, способные делиться неограниченное число раз.
В нормальной соматической клетке процесс сенесенса клетки в конечном итоге должен закончиться апоптозом - апофеозом или самоубийством нежизнеспособной клетки. Это генетически запрограммированный процесс, основные моменты которого упрощенно можно представить так: отсутствие теломеры на конце хромосомы останавливает митоз в точках G1 и G2. Остановка митоза в клетках, достигших лимита Хейфлика, по принципу обратной связи вызывает активацию гена р53, ответственного за выработку белка р53, индуцирующего апоптоз. В результате стареющая клетка прекращает свое существование. Старение и апоптоз- два взаимосвязанных процесса, которые служат для человека мощным барьером на пути развития рака. Однако апоптоз может происходить в стареющих клетках не сразу. Период от критического укорочения теломер до гибели клетки может длиться в течение нескольких месяцев и даже лет. Сравнительно небольшая длина теломер у большинства раковых клеток наводит на мысль о том, что они происходят из клеток, достигших предкризисного состояния. Уже известно, что в подавляющем большинстве случаев раковое перерождение происходит тогда, когда клетка не переходит в стадию репликативного старения или в клетке происходит нарушение течения самой стадии репликативного старения.
Профессор Ян Карлседер, и его команда из Инсбрукской лаборатории молекулярной и клеточной биологии считают, что: «Цепь, контролирующая остановку роста в G1-фазе, обычно изменена в раковых клетках, позволяя им делиться, несмотря на укороченные теломеры, что может привести к нестабильности генома, наблюдаемой в злокачественных клетках» . Специалисты Института биологических исследований Дж. Солка в Ла-Ойе (Сан-Диего, США) исследовали молекулярный механизм активации гена р53, который обычно защищает генетический материал клетки и подавляет опухоли, как ключевой фактор при реакции на снятие защиты теломер. Когда клетки теряют функцию p53, гена в центре цепи ДНК, нарушается механизм остановки роста клеток в фазе G1, важном моменте в клеточном цикле для ремонта повреждений ДНК или, если повреждение не может быть восстановлено, ген программирует клетки на уничтожение. Чаще всего, p53 исчезает в раковых клетках из-за мутации гена или деактивации функции белка p53 через инфекции от вызывающих рак вирусов. Клетки без функционального р53 способны делиться с незащищёнными теломерами, несмотря на чрезмерное укорачивание теломер, вплоть до их полного исчезновения, что вызывает нестабильность генома. При нестабильности генома высока вероятность возникновения спонтанных хромосомных аберраций, начиная от количественных изменений и заканчивая структурными аномалиями: транслокациями, инсерциями, делециями и ассоциированными с теломерами концевыми слияниями хромосом. Концевые слияния хромосом происходят за счет того, что сверхкороткие теломеры воспринимаются клеткой, как разрывы хромосом. Такие разрывы “чинятся” путем их соединения, т.е. происходят теломерные слияния. В результате образуются хромосомы, имеющие по две центромеры. При прохождении через митоз дицентрик, с большой вероятностью, образует хромосомный мост, который разрешается случайным разрывом хромосомы. Образуются две клетки: одна с нехваткой генов, другая с лишними копиями и с хромосомным разрывом. Клетка с нехваткой генов обычно погибает, а с лишними копиями и хромосомным разрывом продолжает размножаться. Последовательность событий “слияние-мост- разрыв” многократно повторяется, генерируя на каждом этапе новый генотип, состоящий из базового набора генов и некоторого меняющегося довеска. На каком-то этапе хромосомный разрыв может “залечиться” и превратиться в теломеру. Процесс “слияние-мост-разрыв” приводит к многократному увеличению скорости изменчивости клеток и появлению «дефектных» клеток.
Однако не всякая дефектная клетка сразу становится злокачественной. Раковое перерождение клетки в большинстве случаев многоступенчатый процесс, затрагивающий многочисленные хромосомные перестройки. В клетках опухолей человека подчас находят более 10 мутаций.
Необходимо отметить, что большинство дефектных клеток, в конце концов, погибают от апотоза или уничтожаются клетками иммунной системы. В противном случае была бы слишком высока вероятность того, что все человечество погибло бы от рака. Апоптоз охарактеризовал себя как отличный подавитель роста раковых клеток. Однако у части злокачественных клеток в результате случайных мутаций может активироваться постоянная экспрессия генов теломеразы, которая поддерживает длину теломер на уровне, необходимом и достаточном для их функционирования. Это характерный путь для быстрой пролиферации 85% злокачественных опухолей.
1.4. СТРУКТУРА ТЕЛОМЕРАЗЫ
Структура теломеразы еще не полностью изучена. Дело в том, что содержание фермента в клетке чрезвычайно низкое, имеются большие трудности получения ее компонентов в растворимой форме и в достаточном количестве и др. Но уже точно известны два основных компонента, составляющие коровый комплекс (сердце) теломеразы: это теломеразная обратная транскриптаза - TERT(наиболее важный домен-hTERT каталитическая субъединица) и TER- специальная теломеразная РНК. Предположительно, теломераза содержит и другие структурные комплексы, которые помогают ей работать в клетке: субъединица, отвечающая за поиск и связывание 3’-конца хромосомы (якорная функция), субъединица, ответственная за транслокацию, субъединицы, связывающие продукт реакции (однотяжевую ДНК), белковая субъединица с нуклеазной активностью, которая, по-видимому, отщепляет от 3’-конца теломерной ДНК один за другим несколько нуклеотидов до тех пор, пока на этом конце не окажется последовательность, комплементарная нужному участку матричного сегмента теломеразной РНК и др.
1.5. ФУНКЦИИ ТЕЛОМЕРАЗЫ
Основная и наиболее изученная функция теломеразы - наращивание теломерных районов хромосом, и в частности, 3’-конца хромосомной ДНК. Последние работы показали, что коровый комплекс теломеразы может влиять на рост клеток, их фенотип, независимо от эффекта на длину теломер. Нобелевский лауреат 2009 года Элизабет Блэкберн предложила следующее объяснение наблюдаемым явлениям: теломераза, помимо удлинения концов теломер, проявляет защитные функции на теломере . К настоящему времени появилось уже довольно много работ, свидетельствующих о том, что не столько укорочение теломер приводит к сенессенсу, сколько нарушение их структуры. Тем самым теломераза, не только препятствует укорочению теломер, но и защищает их структуру. Интересен тот факт, что отдельные структурные элементы теломеразы имеют свое функциональное предназначение в клетке. Оказалось, что непосредственно TERT участвует в транскрипции генов «Wnt-?-catenin» сигнального пути, который стимулирует пролиферацию эмбриональных и стволовых клеток. Такая функция TERT представляет собой, по сути, координацию аппарата поддержания теломер в делящихся клетках с помощью теломеразы с экспрессией генов, необходимых для пролиферации.
1.6. АКТИВНОСТЬ ТЕЛОМЕРАЗЫ В НОРМАЛЬНЫХ И ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ КЛЕТКАХ
Все клетки человека в раннем эмбриогенезе обладают теломеразной активностью, которая по мере развития организма выключается во все большей доле клеток. К моменту рождения в подавляющем большинстве клеток человеческого организма происходит очень надежная репрессия теломеразы за счет подавления экспрессии гена ее каталитической субъединицы (обратной транскриптазы). Исключением являются клетки организма, которым суждено много пролиферировать Они сохраняют ограниченную, временно индуцируемую теломеразную активность. Наличие небольшой теломеразной активности дает возможность пролиферирующим клеткам с течением времени не подвергаться большой изменчивости. У здорового человека активность этого фермента можно выявить на сравнительно низком, но детектируемом уровне в стволовых, половых клетках, в слизистых клетках кишечника, в лимфоцитах периферической крови (ПК) и тимуса (Osterhage J.L., 2009). Установлено, что экспрессия теломеразы в лимфоцитах строго контролируется в течение их развития, дифференцировки и активации . Предполагается, что активность теломеразы усиливается на короткий срок в период интенсивной пролиферации (например, после встречи предшественника В-лимфоцита с антигеном). В результате стимуляции зрелые лимфоциты становятся способны экспрессировать теломеразу на довольно высоком уровне, причем после любой повторной стимуляции экспрессия теломеразы возрастает, но ее уровень уже не достигает уровня ответа на первичный стимул . Ферментативная активность теломеразы возрастает в основном за счет фосфорилирования TERT, вызывающего изменение локализации белка в клетке.
Несмотря на репрессию hTERT, другие составляющие теломеразы, включая теломеразную РНК, образуются в соматических клетках, хотя и в меньших количествах, чем в их “бессмертных” прародителях, но постоянно (или, как говорят, конститутивно). Открытие этого важного факта Дж. Шеем, В. Райтом и их сотрудниками и стало основой для сенсационной работы по преодолению “лимита Хейфлика”. В нормальные соматические клетки были внесены гены теломеразной обратной транскриптазы с помощью специальных векторов, сконструированных из вирусных ДНК. В практике клеточных технологий принято влиять на экспрессию генов через геномы вирусов, с определенными участками ДНК, которые внедряются в клетку-хозяина и быстро там размножаются. Результаты их экспериментов можно суммировать кратко: клетки, в которых теломераза поддерживала длину теломер на уровне, характерном для молодых клеток, продолжали делиться тогда, как контрольные клетки (без теломеразы) дряхлели и умирали.
Известно, что клетки большинства исследованных на сегодня раковых опухолей характеризуются достаточно высокой активностью теломеразы, которая поддерживает длину теломер на постоянном уровне. Этот уровень заметно ниже, чем, например, у эмбриональных клеток, но он достаточен, чтобы обеспечить опухолевым клеткам возможность безграничной пролиферации, что в свою очередь предоставляет им время и, соответственно, возможность изменяться, выживать и захватывать новые ниши в организме. Если бы в процессе канцерогенеза не происходило активации теломеразы, то клетки, в большинстве случаев, не смогли бы дожить до злокачественных стадий, и не было бы абсолютного большинства раковых опухолей. К, сожалению, на сегодняшний день нет объяснения тому факту, что при различных формах рака теломераза может активироваться как на ранних, так и на поздних стадиях. Так, при миелолекозе активность теломеразы определяется на ранних стадиях, а при раке почки или менингеоме активация теломеразы происходит уже в клетках сформировавшейся опухоли.
Существует гипотеза, у которой немало сторонников, предполагающая, что потеря теломеразной активности соматическими клетками современных организмов есть благоприобретенное в процессе эволюции свойство, уберегающее их от злокачественного перерождения. Но этот механизм, по-видимому, не единственный. Было установлено, что в 15% всех опухолей, злокачественные клетки поддерживают длину теломер на должном уровне в отсутствии теломеразы. Таким образом, в этих злокачественных клетках действует другой (не теломеразный, а скорее рекомбинантный) ALT механизм «альтернативного удлинения теломер», (аббревиатура от «Alternative Lengthening of Telomeres»). Во всех ALT- индуцированных опухолях высоко содержание APB - ALT-ассоциированных ядерных белков. APB-структуры хорошо видны при флуоресцентной микроскопии клеток, что использовалось для идентификации ALT- опухолей (так как, у нормальных клеток эти структуры отсутствуют). Инн Чанг и Карстен Риппе из Онкологического центра Германии в ходе совместного исследования с Генрихом Леонардом из Мюнхенского университета Людвига- Максимилиана применили новый подход к изучению APB. Им удалось искусственно создать APB-белки в живых клетках, «привязав» к теломерам белки промиелоцитарной лейкемии (promyeloeytie leukaemia) - PML. Таким образом, ученым удалось впервые доказать, что APB удлиняют теломеры, тем самым продлевая жизнь раковых клеток без теломеразы .
Однако сама по себе активация теломеразы в нормальных клетках не приводит к раковому перерождению.
В опытах Дж. Шеея, В. Райта (1998), Bodnar (1997), White (2000), Hannon et al. (1999; 2000), Franzese et al. (2001), and Yudoh et al. (2001) активность теломеразы обычно увеличивалась благодаря сверхэкспрессии hTRT или экспрессии белков, которые являются промежуточными компонентами теломеразы . Их результаты не выявили каких-либо нарушений в регуляции размножения или озлокачествления теломеризованых клеток. Более того, в последнее время появились данные о том, что, просто активации теломеразы недостаточно для иммортализации разных клонов клеток. В работах профессора Кионо с соавторами, введение каталитического компонента теломеразы hTERT или теломеразной активности с помощью онкобелка вируса папилломы человека E7 в кератиноциты или клетки эпителия человека не приводило к их полной иммортализации. Она наступала лишь при дополнительном торможении определенных онкогенов. Причем, для разных типов клеток требуется, по-видимому, инактивация разных супрессоров [ Wynford-Thomas, et all. 1997 ]. Так, в человеческих кератиноцитах и эпителиоцитах молочной железы иммортализация наблюдается при трансдукции TERT и одновременной инактивации белков либо pRb , либо p16INK4a , тогда как элиминация р53 или p19ARF не вызывает такого эффекта [ Kiyono, et all. 1998]
Эти научные факты еще раз подчеркивают, что экзогенная стимуляция активности теломеразы не вызывает в нормальных клетках ракового перерождения, и что особенно важно изолированная экспрессия гена теломеразы не ведет к иммортализации раковых клеток.
1.7. ИНГИБИРОВАНИЕ ТЕЛОМЕРАЗЫ КАК МЕТОД БОРЬБЫ С РАКОМ
Выше уже говорилось о том, что активность теломеразы повышена во многих злокачественных клетках и клеточных линиях. Это позволило искать пути борьбы с раковыми клетками через ингибирование теломеразы. Пока большинство работ связано с испытанием ингибиторов обратных транскриптаз (каталитических субъединиц теломераз). Однако проведенные исследования по эффективности и безопасности данного класса препаратов неоднозначны. По мнению профессора Егорова Е.Е., антираковая терапия с помощью подавления теломеразы является малоэффективной, потому, что в большинстве случаев, реактивация теломеразы при канцерогенезе происходит в процессе выхода клеток из состояния кризиса, когда наблюдается многократное повышение генетической изменчивости. Поскольку эти клетки попали в состояние кризиса, то в них разрушены или нейтрализованы механизмы репликативного старения. Поэтому подавление теломеразы в опухолевых клетках человека возвращает их в состояние кризиса, но не вызывает репликативного старения и следующего за ним апоптоза. А это значит, что снова будет происходить чрезмерное увеличение генетической нестабильности. В отличие от кризиса в процессе становления опухоли, этот кризис будет захватывать существенно большее число клеток. Эффект после подавления теломеразы наступает с задержкой, необходимой для укорачивания теломер вследствие недорепликации. Время этой задержки составляет десятки удвоений популяции, что равноценно десяткам дней. Поэтому, несмотря на то, что большинство клеток все же будет погибать, довольно быстро возникнут клетки, устойчивые к предложенной терапии. Кроме того, проблема данного класса препаратов состоит в их выраженной токсичности для нормальных клеток. И потому более перспективными являются работы, в которых описано избирательное подавление теломеразной РНК, так как действие искомого ингибитора должно быть направлено именно на теломеразную ДНК-синтезирующую активность .
Несомненно, что изучение путей ингибирования теломеразы актуально для снижения смертности от рака, однако изучение путей активации теломеразы представляется не менее важным направлением для профилактики рака, особенно у лиц пожилого возраста.
2. АКТИВАТОР ТЕЛОМЕРАЗЫ ТА-65 И КАНЦЕРОГЕНЕЗ
В процессе старения человека происходит гибель клеток организма, которая не может быть восполнена регенерацией. Со временем потеря клеток приводит к ослаблению функций органов и тканей, уменьшению их надежности, развитию болезней, связанных со старением, и в итоге к гибели организма. По данным Американского общества рака, 78% всех случаев рака диагностируют у лиц старше пятидесяти семи лет. Риск возникновения рака возникает тогда, когда более выражены признаки клеточного старения, что наиболее характерно для пожилых людей. Современный образ жизни, стресс, злоупотребление лекарствами приводят к недостатку отдельных теломеразных компонентов, и к более раннему фенотипическому старению с потерей функции на клеточном и системном уровне. Этот факт заставил исследователей искать пути продления жизни клетки через активацию теломеразы.
На сегодняшний день единственным биологическим комплексом с доказанным эффектом снижения процента критически коротких теломер в клетке, является ТА-65. Его действие направлено на индукцию активности теломеразы, которая способствует добавлению теломерных повторов, прежде всего, к коротким теломерам, тем самым омолаживая стареющие клетки и наделяя их способностью пролиферировать.
Потенциальный терапевтический эффект ТА-65 направлен на увеличение активности теломеразы, прежде всего, в стволовых клетках, клетках костного мозга, стромальных клетках костного мозга, молодых фибробластах кожи, предшественниках инсулоцитов, нейросферических клетках, адренокортикальных клетках, мышечных, остеопластических, ретинальных пигментированных эпителиалиальных клетках, клетках иммунной системы, включая клетки лимфоидного, миелоидного и эритроидного ростков, таких как В- и Т- лимфоциты, моноциты, циркулирующие и специализированные тканевые макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы, базофилы, NK-клетки и их соответствующие предшественники. В этой связи основными показаниями для использования ТА-65 могут быть: обусловленные стрессом и возрастом нарушения иммунной системы, включая нарушение обновления тканей, которое происходит при естественном старении, раке, лечении рака, острых или хронических инфекциях или при генетических нарушениях, вызывающих ускоренную гибель клеток, апластических анемиях и других дегенеративных заболеваниях. Использование ТА-65 для профилактики рака выглядит на первый взгляд парадоксально. Каким же образом, активация теломеразы может предотвратить раковое перерождение клеток. Это происходит, во-первых, потому что за счет омоложения снижается вероятность хромосомных перестроек в клетках, а во-вторых, потому что теломераза может увеличить продолжительность жизни иммунных клеток, улучшив их способность находить и уничтожать раковые клетки. Ранее уже указывалось, что активация теломеразы «генетическим способом» в нормальных клетках приводит к их омоложению без признаков озлокачествления. Научная работа исследователей из Испанского Национального центра по изучению рака продемонстрировала, что TA-65 обладает подобным действием у мышей. В результате исследования были доказаны эффекты ТА-65 по удлинению коротких теломер, и улучшению здоровья старых мышей, включая состояния толерантности к глюкозе, остеопороза и дряблости кожи, без увеличения заболеваемости раком. Еще одно исследование на людях, известное под названием «Протокол Патона» показало, что у пациентов, использующих ТА-65 в течение года, как составляющий компонент программы омоложения не выявило не одного нового случая рака.
В одной из научных работ профессора иммунологии калифорнийского университета, занимающегося проблемами старения и ВИЧ-инфекции Риты Эфрос с соавторами проводилось исследование влияния молекулы ТАТ-2 на функции Т- и В-лимфоцитов. ТАТ-2 по химической структуре представляет собой циклоастрогенол. Аналогичная молекула входит в состав ТА-65. Исследование позволило сделать следующее заключение о безопасности ТАТ-2: «Во всех проведенных на сегодняшний день исследованиях в естественных условиях, не было получено никаких доказательств, что TAT2 способствовало потере контроля роста и преобразования. Например, TAT2 не приводит к какому-либо значительному увеличению конститутивной активности теломеразы в линии Jurkat Т клеток опухоли Supplemental. Кроме того, хроническое воздействие TAT2 не изменяет скорость EBV трансформации нормальных В-лимфоцитов в культуре клеток Важно отметить, что наблюдаемые эффекты регулирования теломеразы являются краткосрочными и обратимым. Удаление TAT2 из клеток возвращает уровни теломеразы к исходным в течение нескольких дней без каких-либо последствий для жизнеспособности клеток.»
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Все вышесказанное можно обобщить в следующих выводах:
1. Существует тесная взаимосвязь между существованием коротких теломер в клетке и развитием опухолевого процесса. Свидетельствами тому служат заболевания, при которых отмечаются короткие теломеры: врожденный дискератоз, апластическая анемия, синдром Баретта др.
2. Наличие критически коротких теломер в клетке - признак ее старения и нестабильности. В этот период велика возможность перехода клетки в кризисное состояние, при котором высок риск возникновения хромосомных мутаций, приводящих к развитию рака.
3. Теломераза препятствует укорочению теломер, защищает их структуру. Недостаток теломеразы в активно пролиферирующих клетках (стволовых клетках, клетках костного мозга, стромальных клетках костного мозга, молодых фибробластах кожи, предшественниках инсулоцитов, нейросферических клетках, адренокортикальных клетках, мышечных, остеопластических, ретинальных пигментированных эпителиалиальных клетках, клетках иммунной системы, включая клетки лимфоидного, миелоидного и эритроидного ростков, таких как В- и Т- лимфоциты, моноциты, циркулирующие и специализированные тканевые макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы, базофилы) ведет к нарушению их функционирования и к быстрому старению.
4. Малигнизация клетки - сложный многоступенчатый процесс, при котором происходят множественные мутации генетического материала клетки.
5. Для иммортализации злокачественного клона не достаточно экспрессии (активации) гена теломеразы, необходимо еще «отключение» определенных сигнальных механизмов, которые предохраняют клетку от перерождения.
6. Сама по себе теломераза не является онкогеном. Изолированная активация теломеразы за счет генетических манипуляций с геном теломеразы, а также за счет фармакологической стимуляции ТА-65 не приводит к малигнизации клетки. Этот факт доказан множеством научных и экспериментальных работ.
7. ТА-65 способствует профилактике ракового перерождения за счет щадящей активации теломеразы и снижения процента коротких теломер. При этом снижается вероятность хромосомных перестроек в клетках, увеличивается продолжительность жизни иммунных клеток, улучшается их способность находить и уничтожать раковые клетки.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
- Blackburn, E.H. (2005) FEBS Lett.,579, 859-862.
- Билибин Д.П роль апоптоза в патологии. Москва 2003
- Bodnar, A.G. et al., «Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells», Science279 (5349): 349-52 (Jan. 16, 1998);
- Chung, I., Leonhardt, H., and Rippe, K. De novo assembly of a PML nuclear subcompartment occurs via multiple pathways and induces telomere elongation. Journal of Cell Science 124, 2011 3603-3618
- Chiu, C.P. et al., «Replicative senescence and cell immortality: the role of telomeres and telomerase» Proc.Soc. Exp. Biol. Med. 214 (2): 99-106 (Feb. 1997);
- Егоров Е.Е. Роль теломер и теломеразы в процессах клеточного старения и канцерогенеза.\автореферат докторской диссертации. Москва 2003 с300
- Fujimoto, R. et al., «Expression of telomerase components in oral keratinocytes and squamous cell carcinomas»,Oral Oncology 37 (2): 132-40 (Feb. 2001);
- Harle-Bachor, C. et al., «Telomerase activity in the regenerative basal layer of the epidermis inhuman skin and inimmortal and carcinoma-derived skin keratinocytes», Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 (13): 6476-81 (Jun. 25, 1996);
- Harley, C.B. et al., «Telomeres shorten during ageing of human fi broblasts», Nature 345 (6274): 458-60 (May 31, 1990);
- Harley, C.B. et al., «Telomerase, cell immortality, and cancer», Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 59:307-15 (1994);
- Harley, C.B. et al., «Telomeres and telomerase in aging and cancer», Curr. Opin. Genet. Dev. 5 (2): 249-55 (Apr. 1995);
- Harley, C.B. et al., «Telomerase and cancer», Inzportarzt. Adv. Oncol. 57-67 (1996);
- Harley, C.B., «Telomerase is not an oncogene», Oncogene 21: 494-502 (2002);
- Hannon, G.J. and Beach, D.H., «Increasing proliferative capacity and preventing replicative senescence by increasing telomerase activity and inhibiting pathways inhibiting cell roliferation)), PCT Int. Appl. Pubn. No.WO 2000/031238 (June 2000);
- Kiyono, T., Foster, S.A., Koop, J.I., McDougall, J.K., Galloway, D.A., and Klingelhutz, A.J. / Both Rb/p16INK4a inactivation and telomerase activity are required to immortalize human epithelial cells.(1998) Nature, 396, 84-88.
- Liu, K., Hodes, R.J., Weng, N. (2001)J. Immunol., 166, 4826-4830.
- Mitchell, J.R., Wood, E., Collins, K. (1999) Nature, 402, 551-555.
- Osterhage JL, Friedman KL. J Biol Chem. Chromosome end maintenance by telomerase.2009 Jun 12;284(24):16061-5. doi: 10.1074/jbc.R900011200. Epub 2009 Mar 12.
- Verdun, R.E., Crabbe, L., Haggblom, C. and Karlseder, J. (2005) Functional human telomeres are recognized as DNA damage in G2 of the cell cycle. Mol Cell 20:551-561. Yudoh, K. et al., «Reconstituting telomerase activity using the telomerase catalytic subunit prevents the telomereshorting and replicative senescence in human osteoblasts», J. Bosle and Mineral Res. 16 (8): 1453-1464 (2001).
- White, M.A., «Assembly of telomerase components and chaperonins and methods and compositions forinhibiting or stimulating telomerase assembly», PCT Int. Appl. Pubn. No. WO 2000/08135 (Feb. 2000);
- Willeit P et.all, Telomere Length and Risk of Incident Cancer and Cancer Mortality, JAMA. 2010; 304(1):69-75.
- Steven Russell Fauce,* Beth D. Jamieson,† Allison C. Chin,2,‡ Ronald T. Mitsuyasu,† Stan T. Parish,* Hwee L. Ng,† Christina M. Ramirez Kitchen,§ Otto O. Yang,† Calvin B. Harley,‡ and Rita B. Effros3,* Telomerase-Based Pharmacologic Enhancement of Antiviral Function of Human CD8+ T Lymphocytes The Journal of Immunology November 15, 2008 vol. 181 no. 10 7400-7406
Старение всегда считалось физиологическим процессом, не требующим вмешательств. Однако человек пытается отодвинуть этот рубеж своей жизни любыми способами. Современные ученые настаивают, что старение — это эпигенетическая болезнь, и ее возможно лечить. Начинать можно с любого возраста.
Насколько можно быть моложе?
Правильный подход остановит старение и обеспечит долголетие на максимально возможный срок. Это значит, каждый человек может прожить до 100 лет и более без болезней, с ясным умом. Внешняя молодость зависит от более сложных факторов, но обе области изучения подвластны эпигенетикам. Однако, даже то, что зависит от самого человека, поможет ему выглядеть моложе на 10-20 лет своего реального возраста. При этом, чем старше человек, тем больше будет эта разница.
Следует отметить, что без генной предрасположенности организму не обойтись. Однако гены помогают лишь на 30%, остальное зависит от самого человека. Именно поэтому, если наследственность плохая, не стоит «опускать руки». Её можно улучшить доступными способами, добиться долгой и здоровой жизни собственными усилиями.
Всё происходит в клетках
В некотором смысле человек сам является эпигенетиком по отношению к своему организму. Ведь от качества жизни во многом зависит способность клеток долго жить и правильно делиться. Можно сказать, что любая клетка организма по своему характеру — ипохондрик, она только и ждет момента, когда сможет совершить «самоубийство». Живет она, благодаря системе налаженных биохимических сигналов. Именно они должны обеспечиваться человеком при помощи правильного образа жизни. При определённых условиях клетка получает сигнал о самоуничтожении и исполняет его молниеносно. А ведь он может быть ошибочным.
Кто починит поломанные клетки?
Самоуничтожение (апоптоз) — запрограммированный процесс, но иногда он даёт сбой по отношению к здоровым клеткам, которым ещё необходимо функционировать. Всё происходит на уровне ДНК в ядре клетки. А пока клетка живет, в её ДНК также происходят поломки и ремонт. Собственные белки восстанавливают поврежденные участки спирали, которые появляются довольно часто. Эти белки можно назвать: восстановители ДНК, «хирурги», «ремонтники». Но не всегда они делают работу правильно.
Порой «восстановители», наоборот, разрушают спираль, и такая группа белков «работает» в каждой клетке организма. С одной стороны их роль невозможно переоценить: они разрезают, вырезают, лечат, склеивают нить ДНК. Однако вред «восстановителей» так же огромен, как и польза. За разорванный участок ДНК они принимают естественные концы хромосом и склеивают их с другими связями. Так нарушается генетическая цепочка, что приводит к развитию тяжёлых заболеваний.
Теломеры как фактор долголетия
Однако хромосомы защитились от таких нападок «хирургов»: на их концах расположены теломеры, которые предотвращают случайное склеивание. Роль теломеров — охватить нить ДНК и защитить от несанкционированных действий «восстановителей».
Теломеры — особые белки, которые укорачиваются в течение жизни человека. Это происходит во время каждого деления клетки: от теломеров словно отщипывается маленький кусочек, и каждый из них становится короче. Почему это важно для нашего долголетия? Когда теломеры укорачиваются до такой степени, что просто кончаются (исчезают), клетка умирает, так как теряет способность делиться. В масштабах целого организма это приводит к разрушительным процессам: болезням, старости, смерти.
Почему укорачиваются теломеры или формула старения
Учёные объясняют этот факт эволюционными изменениями ДНК. У бессмертных организмов данная молекула замкнута в кольцо. Например, у бактерий. Практически у всех живых существ в ходе эволюции она разорвалась и стала линейной. При этом ген, делающий копию белка для синтеза, продолжал работать в прежнем режиме. В связи с этим кончики хромосом оставались некопированными, и каждая новая молекула получалась короче оригинала. Это и есть — формула старения. Она образовалась эволюционным способом.
Кто защитит теломеры?
Однако организмы — это усовершенствованные системы, в которых предусмотрена ещё одна защита. В состав каждой теломеры входит фермент теломераза.
Его роль — удлинять ДНК и теломеру после каждого деления клетки. Однако происходит это не во всех клетках.
Лишь следующие клетки подвержены удлинению теломеров:
- стволовые,
- раковые,
- яйцеклетки,
- предшественники сперматозоидов.
Именно они остаются молодыми на протяжении жизни организма. Таким образом, теломераза является источником вечной молодости. Пока этот фермент присутствует в клетке, её теломеры восстанавливаются («наращиваются»). Этот факт доказывает опыт ученых: если выключить ген, который программирует синтез теломеразы, теломеры погибают из-за стремительного укорачивания за 25 делений клетки.
Бессмертие создано, но…
Таким образом, молодость и долголетие зависят от активности гена, кодирующего теломеразы. Интересно, что ученые научились искусственно добавлять в клетку теломеразу и продлевать её жизнь до бесконечности. Она становится абсолютно бессмертной. Почему же этот опыт нельзя применить к человеку? Причина — серьёзный побочный эффект.
Главное условие старения — стресс
Итак, человек стареет, когда в его клетках не хватает или полностью отсутствует фермент теломераза. Если добавлять его самостоятельно человек ещё не может, то известны внешние факторы, которые уменьшают количество фермента. В первую очередь это — стресс.
Увеличение гормона стресса в крови приводит к данным последствиям, и человек начинает быстро стареть. Это доказывает факт, что на длину теломеров можно влиять. Надо полностью исключить или ограничить факторы стресса в своей жизни.
Для противодействия стрессу необходимы:
- здоровое питание,
- двигательная и умственная активность,
- наличие здоровых факторов расслабления (полноценный сон, релакс, медитация),
- положительное эмоциональное равновесие.
Как самому удлинить теломеры?
Сегодня учёными доказано, что длина теломеров больше у тех людей, кто регулярно занимается спортом с невысокими нагрузками. При отсутствии продолжительных стрессов такой спорт можно назвать главным условием долголетия без помощи генетических вмешательств.
Конкретно это:
- бег трусцой,
- велосипедная езда,
- пешие прогулки.
Как происходит влияние? Спорт оказывает положительное действие на эпигеном человека. И, значит — на обмен веществ и иммунную систему.
А именно действительно:
- повышается активность и количество теломеразы,
- клетки живут дольше (вместо «самоубийства»).
Питание — главный фактор долгой жизни
Кроме спорта неоценимое влияние оказывает здоровое питание.
Диета включает в себя:
- потребление сырых овощей,
- малое потребление жиров (но не отказ от них),
- отказ от искусственного рафинированного сахара.
Препятствия на пути к долгой жизни
На основе вышесказанного можно предположить, что для достижения, если не вечной молодости, то, хотя бы, долгой жизни, достаточно соблюдать вышеперечисленные рекомендации. Это, конечно, позволит выглядеть моложе своих лет, быть бодрее и меньше болеть приобретёнными заболеваниями.
Однако следует помнить такие факторы:
1. Теломеразы удлиняют теломеры лишь в следующих клетках: предшественниках сперматозоидов, яйцеклетках, стволовых и раковых. Именно поэтому, в определённом смысле, эти клетки бессмертные.
2. Организм человека состоит, в основном, из соматических клеток. В них теломераза свою молодильную функцию не выполняет.
Достижения учёных
Заставить фермент это делать может лишь генная инженерия внедрением генов, кодирующих теломеразу на необходимую «работу».
Сегодня ученые достигли хороших результатов. Они умеют встраивать ген теломеразы в клетки:
- кожи,
- глаз,
- сосудов.
На основе вышесказанного можно отметить, что найден «эликсир молодости». Однако мешает этому тот факт, что фермент «работает» и в раковых клетках. Таким образом, в погоне за молодостью человек может приобрести онкологическое заболевание. Ведь именно теломераза дала раковым клеткам возможность делиться вечно. А это значит, что, достигнув вечной молодости, человек умрёт от рака.
Второй довод в пользу этого мнения: долгая жизнь возможна не только способом активации теломераз, но и выключением гена, который даёт клетке команду самоубийства. Этот ген — белок p66Shc. Однако и здесь присутствует аналогичная проблема — перестанут самоуничтожаться клетки, в которых возможно образование рака.
Круг сомкнулся: отключение гена апоптоза продлевает жизнь, но приводит к образованию онкологического процесса. Следует помнить, что болезнь образуется не только в результате действия внешних факторов, но и внутренних поломок, которых в огромном и сложном человеческом организме происходит великое множество.
При этом следует отметить: процент смерти от рака увеличится, но такая участь постигнет не все организмы. Таким образом, погоня за молодостью и долголетием методами генной инженерии превращается в игру в рулетку.
Итак, перед человечеством стоит 2 задачи, которые нельзя решать отдельно:
1. Продление жизни.
2. Исключение негативных последствий.
И, значит, пока люди не научатся побеждать рак, о существенном продлении молодости и жизни на генном уровне говорить не приходится.
Другие рычаги влияния на жизнь
Поговорим о других генах, которые определяют продолжительность жизни человека. А также о том, как на них можно влиять самостоятельно.
Гены Мафусаила: носителям можно всё
Кроме фермента теломеразы, которым можно управлять при помощи кодирующего гена, на продление молодости оказывают влияние гены Мафусаила. Название этим белкам дано по аналогии с библейским персонажем: Мафусаилом, старейшим человеком, прожившим 969 лет. Имя Мафусаил стало нарицательным. Его применяют, когда говорят о долгожителях.
Известные гены Мафусаила:
- ADIPOQ,
- CETP,
- ApoC3
встречаются примерно у 10% людей. Счастливчикам можно меньше заботиться о регуляции уровня инсулина в крови, концентрации холестерина и других веществ в организме. Однако поддерживать здоровье всё-равно необходимо, иначе природный фактор — подарок предков — не поможет, так как ген не сможет самостоятельно обеспечивать долголетие.
К долголетию через инсулин
Сегодня ученым необходимо определить белки, которые образуются под влиянием генов Мафусаила. На их основе можно создать долгожданный «эликсир». Однако точно не известно, как именно он будет действовать. И следует помнить о главном препятствии на пути генной инженерии: человечество ещё не способно победить рак.
Отмечено, что гены Мафусаила воздействуют на рецептор инсулина. Вследствие этого рецептор сигнализирует о пониженном уровне сахара, независимо от его реальных показателей. Этот факт поддерживает здоровье на высоком уровне в течение жизни человека и является мощным стимулом долголетия (доказано на примере людей-долгожителей, перешагнувших 100-летний возраст).
Ген Мафусаила, который регулирует реакцию организма на инсулин, называется FOXO3A. Следует отметить, что именно поэтому диабетические лекарства, снижающие уровень глюкозы в крови, продлевают жизнь. К таким относится, например, метформин.
Как при помощи этих знаний влиять на продолжительность жизни?
Посредством возможностей генной инженерии, от которых зависит активность:
- НАД+,
- теломераз,
- генов Мафусаила,
- рецепторов инсулина.
Повышаем НАД+ и сиртуины самостоятельно
Воздействовать на них можно через транскрипционный фактор, который является маркером контрольных участков гена в синтезе белков. Следует отметить огромную роль в продлении молодости кофермента НАД+ (NAD+). Это — окисленная форма никотинамидадениндинуклеотида. Вещество влияет на активность молодильных белков сиртуинов. Именно они регулируют фермент теломеразу: чем больше НАД+, тем активнее сиртуины, тем дольше живёт организм. И именно через них человек может удлинять теломеры без генетиков, ведь гормон инсулин и ИФР-1 являются антагонистами сиртуинов, а его можно контролировать самостоятельно.
Повышают уровень НАД+ и, значит, сиртуинов:
- низкокалорийное питание,
- лекарство: никотинамид рибозид.
Важно: питание должно включать все необходимые микроэлементы, витамины при малом количестве калорий (половина нормы). Норма составляет 2000-3500 Ккал/сутки. На все эти ферменты, гены, транскрипционные факторы влияют: гормон инсулин и ИФР-1 (инсулиноподобный фактор роста).
Такое же полезное действие оказывают некоторые продукты питания. А именно:
- черника,
- арахис,
- красный виноград,
- красное сухое вино.
Это возможно, благодаря природному веществу ресвератрол.
Пользу ресвератрола невозможно переоценить, он оказывает на организм действия следующего характера:
- противоопухолевое,
- противовоспалительное,
- снижающее сахар в крови,
- защищающее сосуды сердца,
- компенсирующее влияние жирной диеты.
Ресвератрол — не панацея
Суть действия вещества: нейтрализовать свободные радикалы кислорода, ведь они способствуют развитию онкологических заболеваний. Следует отметить, что при радиотерапии рака лёгких, ресвератрол оказывает обратное действие. Вещество увеличивает количество раковых клеток. И ещё: выводы учёных относительно ресвератрола подтверждены на мышах, но не на людях.
Следует отметить и другие лекарственные препараты, продлевающие жизнь:
- карведилол,
- метформин,
- телмисартан,
- витамины Д и В6,
- глюкозамин сульфат,
- никотинамид рибозид.
Примечательно: чем старее клетка, тем меньше в ней содержится сиртуинов, а больше — ацетильных групп. Именно это приводит к изменению структуры ДНК и, как следствие, к тяжёлым заболеваниям. Отсюда вывод: на старение клетки оказывают влияние эпигенетические факторы. Значит, человек может самостоятельно воздействовать на фактор старения.
Особенности питания, о которых надо помнить
Итак, омолаживающий эффект в живых организмах ярко выражен при следующих условиях:
- низкий уровень инсулина и ИФР-1,
- низкокалорийная умеренная диета постоянно.
Важно: следует отличать низкокалорийное и неполноценное питание. Во втором случае недостаток витаминов и микроэлементов быстро приводит к развитию различных патологий и сокращению жизни.
Спорт, без которого ничего не будет
Альтернативой целенаправленному недоеданию является спорт. Физкультура позволяет сжигать лишнюю энергию, одновременно с этим — снижать уровень инсулина и повышать активность генов молодости (сиртуинов). Но всё же, занятия не означают, что позволено забыть о здоровой диете.
Полезные виды спорта при условии регулярных занятий:
- бег трусцой 30-40 минут,
- велосипедная езда не менее 1 часа,
- плавание, активные спортивные игры.
Совет: лучше бегать утром натощак. Пищу принимать через 1 час после занятий спортом.
Еда, с которой будет долголетие
Так ли безопасны Омега-3?
Стоит сказать о полезных Омега-3 кислотах, которые в огромном количестве продаются фармацевтикой и употребляются людьми. Доказан их эффект на теломеры: кислоты данной группы замедляют степень укорачивания хромосом. Однако есть и отрицательный момент, который также доказан учёными: эти полиненасыщенные жиры в клетках организма быстро окисляются. Вследствие этого приводят к «поломке» клеток, ускоренному старению, развитию рака.
Оливковое масло для долгожительства
Более безобидными и не менее полезными учёные называют мононенасыщенные жирные кислоты. Больше всего их содержится в оливковом масле. Совет: принимать оливковое масло лучше всего в сыром виде. Покупать следует продукт холодного первого отжима нефильтрованный (Extra Virgin) испанского, греческого, итальянского производства. Масло нельзя нагревать. От этого продукт разлагается, пропадают целебные качества, появляется канцерогенный фактор.
Для сравнения: подсолнечное масло содержит больше, чем оливковое, витамина Е; а льняное — больше ненасыщенных жирных кислот Омега-3. Льняное масло также необходимо употреблять в сыром виде, без нагревания. Именно поэтому в меню должны присутствовать разные растительные масла.
Самая полезная пища, доказанно продлевающая жизнь:
- кефир,
- сырая морковь,
- сырая капуста брокколи,
- жирная рыба (готовить на пару),
- орехи фундук, кунжут, семена льна,
- оливковое масло холодного отжима,
- сырые лук и чеснок,
- тёмные сорта винограда,
- свежая зелень: петрушка, укроп, — фасоль, гречка, овсянка (каши надо запаривать), — фрукты: черника, ежевика, чернослив, смородина, — также: вишня, гранат, клубника, яблоки кислых сортов.
Прогноз на старость
Постоянное применение рекомендаций по продлению жизни позволит добиться омоложения организма, меньше болеть или исключить заболевания полностью. Без генной инженерии это работает на 100%, если есть предрасположенность, и, если обеспечивается умственная и физическая активность человека. Однако и загубить наследственность очень легко, если образ жизни не соответствует данным рекомендациям. Начать можно прямо сейчас. Интересные факты: организм полностью «забывает» о вредном факторе курения через 5 лет после отказа от привычки. Организм способен восстановиться и после привычки «приложиться» к алкоголю. Организм — необыкновенно чуткий, он благодарно реагирует на любую естественную заботу улучшением внешности и увеличением срока жизни.
Фото, использованные в статье, взяты в основном из интернета.
Кандидат химических наук Мария Зверева, кандидат химических наук Мария Рубцова (МГУ им. М. В. Ломоносова, химический факультет).
В октябре 2009 года в Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине. Это американские учёные Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth H. Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) и Джек Шостак (Jack W. Szostak), удостоившиеся самой престижной научной награды дословно «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы». Попробуем разобраться, что такое теломеры и теломераза, почему и каким образом они защищают хромосомы?
Элизабет Блэкбёрн.
Кэрол Грейдер.
Джек Шостак.
Теломераза активна не во всех клеточных популяциях. Максимальная активность наблюдается в «вечно молодых» эмбриональных клетках. В стволовых клетках теломераза работает не в полную силу.
Теломеры: фунции и синтез.
ХРОМОСОМЫ НУЖДАЮТСЯ В ЗАЩИТЕ
Генетическая информация хранится в ядрах клеток в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая плотно упакована в линейные хромосомы. В середине 1970-х годов Джек Шостак в своей лаборатории в Медицинской школе Гарварда провёл эксперимент. Он добавил в дрожжевые клетки фрагменты чужеродных молекул ДНК и обнаружил, что они не могут долго оставаться в клетке в исходном виде и встраиваются в хромосомы. Так выяснилось, что обломки хромосом нестабильны: они постоянно обмениваются участками с другими хромосомами, перестраиваются, в их нуклеотидных цепочках образуются разрывы, в то время как сами хромосомы остаются в неизменном виде. К счастью, клетки обладают функцией репарации - в них имеется система молекулярной «починки» случайных разрывов в хромосомных цепочках.
Всё же оставалось неясным, почему ДНК в составе хромосом стабильна, а обломки без концевых последовательностей подвержены перестройкам. Исследования Пауля Германа Мюллера (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1946 года) и Барбары Мак-Клинток (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1983 года) в начале 1940-х годов показали, что концевые участки защищают хромосомы от перестроек и разрывов. Мюллер назвал эти особые участки теломерами - от двух греческих слов: telos - конец и meros - участок. Но что представляют собой эти участки и какую функцию они выполняют в клетке, учёные тогда ещё не знали.
ТЕЛОМЕРЫ СТАБИЛИЗИРУЮТ ХРОМОСОМЫ
В 1975 году Элизабет Блэкбёрн в лаборатории Джозефа Гала в Йельском университете, изучая внехромосомные молекулы ДНК инфузории, обнаружила, что концевые участки этих молекул содержат тандемные повторяющиеся последовательности, состоящие из шести нуклеотидов: на каждом конце таких повторов было от 20 до 70.
В дальнейших экспериментах Блэкбёрн и Шостак добавили в дрожжи молекулы ДНК с присоединёнными к ним повторами из инфузории и обнаружили, что молекулы ДНК стали стабильнее. В 1982 году в совместной публикации они предположили, что эти повторяющиеся последовательности нуклеотидов и есть теломеры.
Их догадка подтвердилась. Теперь уже точно известно, что теломеры состоят из повторяющихся нуклеотидных участков и набора специальных белков, особым образом организующих эти участки в пространстве. Теломерные повторы - весьма консервативные последовательности, например, повторы всех позвоночных состоят из шести нуклеотидов - TTAGGG, повторы всех насекомых из пяти - TTAGG, повторы большинства растений из семи - TTTAGGG. Благодаря наличию в теломерах устойчивых повторов клеточная система репарации не путает теломерный участок со случайным разрывом. Таким путём обеспечивается стабильность хромосом: конец одной хромосомы не может соединиться с разрывом другой.
ТЕЛОМЕРЫ ПОСТОЯННО УКОРАЧИВАЮТСЯ
Теломерные повторы не просто стабилизируют хромосомы, они выполняют ещё одну важную функцию. Как известно, воспроизведение генетического материала от поколения к поколению происходит за счёт удвоения молекул ДНК с помощью специального фермента (ДНК-полимеразы). Этот процесс называется репликацией. Проблему «концевой репликации» ещё в 1970-х годах независимо сформулировали Алексей Матвеевич Оловников и нобелевский лауреат Джеймс Уотсон. Она заключается в том, что ДНК-полимераза неспособна полностью скопировать концевые участки линейных молекул ДНК, она лишь наращивает уже имеющуюся полинуклеотидную нить.
Откуда же берётся начальный участок? Специальный фермент синтезирует небольшую РНК-«затравку». Её размер (<20 нуклеотидов) невелик по сравнению с размером всей цепи ДНК. Впоследствии РНК-«затравка» удаляется специальным ферментом, а образовавшаяся при этом брешь заделывается ДНК-полимеразой. Удаление крайних РНК-«затравок» приводит к тому, что «дочерние» молекулы ДНК оказываются короче «материнских». То есть теоретически при каждом цикле деления клеток должна происходить потеря генетической информации. Но так происходит далеко не во всех клеточных популяциях. Почему?
ТЕЛОМЕРАЗА НЕ ДАЁТ ТЕЛОМЕРАМ УКОРАЧИВАТЬСЯ
Чтобы клетки не растеряли при делении часть генетического материала, теломерные повторы обладают способностью восстанавливать свою длину. В этом и заключается суть процесса «концевой репликации». Но учёные не сразу поняли, каким образом наращиваются концевые последовательности. Было предложено несколько различных моделей. Российский учёный А. М. Оловников предположил существование специального фермента (теломеразы), наращивающего теломерные повторы и тем самым поддерживающего длину теломер постоянной.
В середине 1980-х годов в лабораторию Блэкбёрн пришла работать Кэрол Грейдер, и именно она обнаружила, что в клеточных экстрактах инфузории происходит присоединение теломерных повторов к синтетической теломероподобной «затравке». Очевидно, в экстракте содержался какой-то белок, способствовавший наращиванию теломер. Так блестяще подтвердилась догадка Оловникова и был открыт фермент теломераза. Кроме того, Грейдер и Блэкбёрн определили, что в состав теломеразы входят белковая молекула, которая, собственно, осуществляет синтез теломер, и молекула РНК, служащая матрицей для их синтеза.
БЕЗ ТЕЛОМЕРАЗЫ КЛЕТКА СТАРЕЕТ, А С ТЕЛОМЕРАЗОЙ - ПЕРЕРОЖДАЕТСЯ
Позднее в лаборатории Шостака обнаружили, что определённые мутации в некоторых генах дрожжей приводят к быстрому укорочению теломер после каждого цикла деления клеток, в результате чего хромосомы становятся нестабильными, а клетки переходят в состояние старения (сенессенса). Теперь мы знаем, что эти гены кодируют теломеразу. Полученные данные подтвердили ещё одну гипотезу А. М. Оловникова о том, что потеря длины теломерных повторов в каждом раунде репликации хромосом зависит от числа делений клетки.
Итак, теломераза решает проблему «концевой репликации»: синтезирует повторы и поддерживает длину теломер. В отсутствие теломеразы с каждым клеточным делением теломеры становятся короче и короче, и в какой-то момент теломерный комплекс разрушается, что служит сигналом к программируемой гибели клетки. То есть длина теломер определяет, какое количество делений клетка может совершить до своей естественной гибели.
На самом деле у разных клеток могут быть разные сроки жизни. В эмбриональных стволовых клеточных линиях теломераза очень активна, поэтому длина теломер поддерживается на постоянном уровне. Вот почему эмбриональные клетки - «вечно молодые» и способны к неограниченному размножению. В обычных стволовых клетках активность теломеразы ниже, поэтому укорачивание теломер скомпенсировано лишь отчасти. В соматических клетках теломераза вовсе не работает, поэтому теломеры укорачиваются с каждым клеточным циклом. Укорочение теломер приводит к достижению предела Хайфлика - к переходу клеток в состояние сенессенса. После этого наступает массовая клеточная смерть. Уцелевшие клетки перерождаются в раковые (как правило, в этом процессе задействована теломераза). Раковые клетки способны к неограниченному делению и поддержанию длины теломер.
Наличие теломеразной активности в тех соматических клетках, где она обычно не проявляется, может быть маркёром злокачественной опухоли и индикатором неблагоприятного прогноза. Так, если активность теломеразы появляется в самом начале лимфогранулематоза, то можно говорить об онкологии. При раке шейки матки теломераза активна уже на первой стадии.
Мутации в генах, кодирующих компоненты теломеразы или других белков, участвующих в поддержании длины теломер, являются причиной наследственной гипопластической анемии (нарушения кроветворения, связанные с истощением костного мозга) и врождённого Х-сцеплённого дискератоза (тяжёлое наследственное заболевание, сопровождающееся умственной отсталостью, глухотой, неправильным развитием слёзных каналов, дистрофией ногтей, различными дефектами кожи, развитием опухолей, нарушениями иммунитета и др.).
ЗАЧЕМ ИЗУЧАТЬ ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗУ
Сейчас многие учёные заняты поиском взаимосвязи между активностью теломеразы и старением. Тут необходимо осознать, что длина теломер может контролировать продолжительность жизни клеток, но не всего организма. Старение как биологическое явление - более сложный многофакторный процесс. Гораздо более важна взаимосвязь между активностью теломеразы и риском развития раковых заболеваний. Учёные ищут вещества, влияющие на активность теломеразы и на структуру теломер, с целью создания новых противоопухолевых лекарственных препаратов.
Вот мы и пришли к заключению, что «открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы» - это, безусловно, великое достижение современной науки, позволяющее понять, как генетическая информация передаётся от материнской клетки к дочерней без потерь, чем определяется продолжительность жизни клеток, а также некоторые особенности их злокачественного перерождения. Обретённые знания помогут в будущем создать лекарственные препараты, избавляющие людей от неизлечимых болезней. Это действительно выдающееся научное открытие. Но не стоит забывать о выдающихся гипотезах русского учёного А. М. Оловникова, которые подтвердились в работах нынешних нобелевских лауреатов.
