Теломеры и теломераза - надежды на продление жизни

               
                Определение теломер и их длина


Теломеры (от др. греческого telos - конец и meros- часть) — концевые участки хромосом ДНК. Теломера содержит специальные последовательности ДНК, обеспечивающие точную репликацию хромосом.

Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию.

Термин теломера ввел в научный оборот в 1930 г. американский генетик Герман Джозеф Мюллер (1890-1967) лауреат Нобелевской премии по физиологии (1946).

Уже тогда ученым было высказано предположение, что теломеры защищают хромосомы от деградации.

Позднее ученые подсчитали, что в человеческом организме 23 пары ядерных хромосом, т.е. всего 46 штук. Таким образом, получается у человека 92 теломеры.

Российский биолог-теоретик, ведущий научный сотрудник Института биохимической физики РАН Алексей Матвеевич Оловников (1936 г. рождения), в 1971 г. выдвинул гипотезу о том, теломеры, с каждым делением клетки укорачиваются, что ограничивает пролиферативный потенциал клеток.

На основании появившихся к тому времени данных исследователей генетиков-практиков о принципах синтеза ДНК в клетках Алексей Оловников предложил гипотезу маргинотомии (отсчета клеточных делений и старения), объясняющую механизм работы такого счетчика.

При матричном синтезе полинуклеотидов ДНК-полимераза (современное название телемеразы) не в состоянии полностью воспроизвести линейную матрицу, реплика получается всегда короче в ее начальной части.

Поэтому после определенного количества делений клетка больше делиться не может. Этот феномен получил название «концевой недорепликации ДНК».
Из этой гипотезы вытекает важный вывод – возраст человека связан с длиной теломер. Чем старше человек, тем меньше средняя длина его теломер.

Длина теломер и скорость их укорочения зависит от возраста. У человека длина теломер варьирует от 15 тысяч нуклеотидных пар (т.н.п.) при рождении до 5 т.н.п. при хронических заболеваниях.

Максимальна длина теломер зафиксирована у 18-месячных детей, а затем она быстро снижается до 12 т.н.п. к пятилетнему возрасту. После этого скорость укорачивания замедляется.

Размер, количество и нуклеотидный состав теломер хромосом зависят от пределенного фермента, получившего название теломераза.

Основной функцией теломеразы в клетке является компенсация укорочения теломер, происходящего при каждом делении клетки.

Теломераза синтезирует теломеры за счет обратной транскрипции своей РНК-субъединицы. Согласно расчетам ученых, за одно клеточное деление теломераза должна синтезировать 30–100 нуклеотидов, именно настолько укорачиваются теломерная ДНК.

Предположение о существовании и роли в процессе старения живой клетки особого фермента теломеразы впервые высказал так же Алексей Оловников. Эта гипотеза стала стимулом к сложной и кропотливой работе для ученых генетиков из различных стран мира.

Однако подтверждение своей гипотезе ученый получил лишь 14 лет спустя. В 1985 г. американские ученые Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн обнаружили теломеразу в клетках.

А еще через 13 лет, в 1998 г. им удалось с помощью теломеразы «омолодить» культуру клеток.

Это открытие стало сенсационным. Ученым удалось повысить порог деления обычных человеческих клеток в два раза. При этом клетки оставались здоровыми и молодыми.

Было показано, что при введении теломеразы клетки фибробластов человека, которые в норме делятся лишь 50 раз плюс-минус 10 раз, способны поделиться 280 раз без каких-либо признаков старения и патологии.

Примерно в тоже время впервые клонировали ген теломеразы из ткани человека. До сих пор он «живет» в пробирке в виде образца-плазмиды, то есть такой кольцевой ДНК, куда встроен этот ген.

Раньше для размножения этого гена в лабораториях использовали бактерию кишечной палочки «Эшерихию коли» (Escherichia coli). Бактерия многократно копировала плазмиду внутри себя, затем палочку убивали и выделяли из ее генома ту часть ДНК, которая необходима.

Но сейчас все гораздо проще. Современные технологии позволяют получать в лабораторных условиях необходимые копии того или иного гена используя способ полимеразной цепной реакции (ПЦР).

После полученных практических результатов исследований генетиков, профессор Леонард Хейфлик констатировал –  «проницательное предположение Алексея Оловникова получило экспериментальное подтверждение».

Позднее было доказано, что в нашем организме существует только два типа клеток – половые и стволовые, в которых присутствует теломераза, удлиняющая теломеры при помощи специальной РНК-матрицы.

Именно поэтому стволовые и половые клетки способны делиться бесконечно, копируя наш генетический материал для воспроизводства и выполняя функцию регенерации.

Теломераза активна в зародышевых и эмбриональных тканях, в стволовых и пролиферирующих клетках. Ее обнаруживают в 90% раковых опухолей, что обеспечивает неудержимое размножение раковых клеток.

Но в большинстве соматических клеток взрослого организма теломераза не активна.
Все остальные клетки человека не производят теломеразу и рано или поздно умирают.

В 2011 г. учёные из немецкого центра исследований раковых заболеваний (Deutsches Krebsforschungszentrum, DKFZ) в результате проведенных исследований получили еще одно подтверждение, касающееся альтернативного механизма удлинения теломерных последовательностей с помощью ферментов, осуществляющих репарацию повреждений ДНК.

Ученые доказали, что клетки опухолей, в том числе раковые, научились обходить этот механизм и тем самым получили доступ к неограниченному количеству делений.

Это происходит при помощи активации уже упомянутой нами теломеразы – фермента, который в норме удлиняет теломеры эмбриональных клеток.

Таким образом, опухолевые клетки «обнуляют» работу клеточных часов, что позволяет им делиться бесконечное количество раз.

Однако существует некоторое количество опухолей, примерно 10–15% от общего числа, клетки которых способны делиться бесконечно без активации теломеразы.

Клетки таких опухолей используют так называемый механизм альтернативного удлинения теломер (АУТ). Это связано с наличием в них ассоциированных ядерных телец (АЯТ).

На теломерах такие тельца формируются при участии PML-белков (promyelocytic leukemia). В нормальных клетках данные структуры не обнаруживаются.

Учёным из Мюнхенского университета, используя новую методику, удалось искусственно воссоздать в живых клетках ассоциированные ядерные тельца (АЯТ).

Данную задачу удалось решить, присоединив к теломерам PML-белки и другие белки ассоциированных ядерных телец.

В ходе проведённых исследований учёные не только проанализировали сам процесс формирования телец, но и проследили за тем, что происходит впоследствии.

В частности, вновь сформированные ассоциированные ядерные тельца (АЯТ) индуцировали удлинение повторяющихся теломерных последовательностей. Удлинение происходило при помощи механизма репарации повреждений ДНК.

Полученные результаты впервые подтверждают тот факт, что ассоциированные ядерные тельца (АЯТ) играют важную роль в рамках альтернативного механизма удлинения теломер.

Можно предположить, что нарушение формирования ассоциированных ядерных телец (АЯТ) способно остановить пролиферацию положительных опухолевых клеток.
Результаты проведённых исследований, вероятно, можно будет использовать для борьбы с развитием опухолевых клеток.

Однако функции ассоциированных ядерных телец (АЯТ) пока остаются до конца неизученными.

Многое в этой области еще предстоит выяснить. Тем не менее, очевидно, что опыты с теломеразой открывают новые перспективы как в геронтологии, так и в онкологии для диагностики рака и, что особенно важно, для его лечения.

Необходимо упомянуть еще об одном важном открытии британских ученых из университета Ноттингема. Внимание биологов давно привлекали плоские черви планарии, которые обладают экстраординарными способностями к регенерации.

Группа биологов изучила два вида этих червей, размножающихся половым путем и простым делением. Оба типа способны восстанавливать мышцы, кожу, внутренности и даже нервные окончания бесконечное количество раз. 

Ученые пришли к выводу, что преимущество бесполых червей состоит в том, что во время регенерации количество теломеразы в их клетках резко возрастает. Наличие такого механизма потенциально может сделать их бессмертными.

В 2009 г. «за открытие механизма защиты хромосом теламерами и фермента теломеразы» и их влияния на процессы старения трое американских ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Среди них были профессора американских университетов –  Кэрол Грейдер, Элизабет Блэкберн и Джек Шостак.

Наш соотечественник биохимик Алексей Оловников также выдвигался на Нобелевскую премию академиком В.П. Скулачевым. Однако Нобелевский комитет не включил его в число лауреатов.

Члены Нобелевского комитета обосновали свое решение тем, что, несмотря на гениальную гипотезу кандидата у него нет практических исследований и соответственно недостаточно публикаций на данную тему.

В то время как американские ученые, работали над этой темой многие годы и регулярно публиковали результаты своих исследований.

Ряд российских и зарубежных ученых-генетиков считают, что комитет незаслуженно обошел российского ученого, поскольку именно он является автором идеи «концевой недорепликации ДНК» и именно он предсказал существование теломеразы, которую впоследствии открыли американские ученые, выдвинул гипотезу о существовании редумер пока еще не обнаруженных в ДНК.

Но это на совести членов Нобелевского комитета, которые часто предвзято относятся к деятельности российских ученых.

Сам же Алексей Оловников впоследствии отказался от теломерной теории старения, так как некоторые ее положения на тот момент не находили экспериментального подтверждения в среде ученых практиков.

Взамен этой теории, уже признанной научным сообществом, он предложил редусомную теорию, предполагающую укорочение структур принтомер и хрономер в так называемой «латеральной ДНК».

Кроме того, в 2001 г. ученым была предложена еще одна научная концепция – «фонтанная гипотеза» регуляции активности генов и эффекта доминантности.

В последние годы Алексей Оловников выдвинул совсем экзотическое предположение, о том, что на укорочение хромосом влияют лунные ритмы.

При этом ученый рассматривает деятельность эпифиза (пинельная железа, шишковидное тело, выполняющий эндокринную функцию) в качестве своеобразного «эндокринно-гравитационного луносенсора».

Следует упомянуть еще об одном результате эксперимента, проведенного учеными центра по изучению умственной деятельности и мозга Калифорнийского университета.

Целью эксперимента было выявление влияния занятий йогой и медитацией на процессы старения.

В частности, после трехмесячного курса медитации почти у всех участников эксперимента заметно повысился уровень фермента теломеразы, необходимого для удлинения теломер.

Таким образом, можно сделать вывод, что медитация может способствовать замедлению биологического процесса старения организма.

Видимо в состоянии транса в организме запускается определенная программа, способствующая росту выделения гормонов, в том числе ответственных за рост и репродуктивность.

               
                Элизабет Пэрриш – женщина, изменившая свои гены


Следует отметить, что последние годы теломера и теломераза ходят в главных кандидатах на возможность влиять на процессы старения и создания эликсира омоложения и продления жизни.

Многие российские и зарубежные ученые считают теломеразу основой для разработки препаратов, влияющих на клеточное бессмертие.

В октябре 2015 г. начался уникальный научный эксперимент по возможности активизации телемеразы в организме человека и ее влияние на процесс омоложения.

Американская исследовательница Элизабет Пэрриш решила на себе испытать новейшую методику омоложения человеческого организма, способность теломеразы увеличивать длину теломер.

Она согласилась стать первой женщиной на Земле, которой ученые искусственно изменили гены.

Элизабет родилась в 1971 г., в США. На момент начала эксперимента ей было 44 года, она замужем и имеет двоих детей.Элизабет — биолог по образованию, но по специальности практически не работала. 

Она частный предприниматель, и зарабатывала на жизнь разработкой и продажей программного обеспечения.

Перелом в ее жизни наступил, когда у ее сына обнаружили диабет первого типа. Тогда Элизабет начала интересоваться передовыми медицинскими технологиями, инвестировала в их разработку и внедрение. А затем и сама решила протестировать некоторые из них на своем организме.

Эксперимент был организован научно-медицинской компанией «БиоВива», («BioViva»), в руководство которой входит Элизабет и Международным альянсом за продление жизни (International Longevity Alliance).

Научным консультантом проекта выступил Ави Рой – управляющий Президент Оксфордского Биогеронтологического исследовательского фонда.

При эксперементе использовалась, разработанная еще в 70-е годы прошлого столетия технология молекулярного клонирования.

Суть метода в том, что с помощью определенного набора ферментов можно вырезать из ДНК необходимый участок - например, ген теломеразы, позволяющий клеткам делиться бесконечно.

На первом этапе эксперимента в вену Элизабет Пэрриш был введен генетический материал, который проникает внутрь ядра каждой клетки и запускает изменения, останавливающие процесс старения и оказывает омолаживающий эффект.

В случае с Элизабет это был так называемый аденоассоциированный вирус (AAV), который предварительно был «вычищен», то есть, лишен способности переносить различные заболевания.

В этот вирус был внедрен вектор, то есть последовательность ДНК, которая встраивается в геном человека. Данный вектор имеет свойственные ему признаки, своеобразные маркеры. В случае успешной встройки в геном их можно выявить с помощью биохимических анализов.

Поскольку использованные генные препараты официально не были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США инъекции

Элизабет пришлось делать за пределами Америки, в Колумбии.
В середине 2016 г. организаторы подвели предварительные, промежуточные итоги эксперимента.

Спустя 9 месяцев после использования генной терапии, как полагают научные консультанты проекта процесс старения у Элизабет Пэрриш замедлился.

Это подтверждается данными биохимических анализов крови. В частности, улучшились морфологические признаки лейкоцитов крови. Анализ клеток крови лимфоцитов показал увеличение активности фермента теломеразы.

Но самым важным результатом эксперимента можно считать «удлинение» теломер примерно на величину 20 - ти летней давности.

Такие результаты оказались весьма обнадеживающими в первую очередь для самой Элизабет Пэрриш и ученых, организаторов уникального эксперимента.

Перед началом эксперимента Элизабет Пэрриш дала согласие на доступ к образцам ее крови и всех тканей организма любому медицинскому и научно-исследовательскому учреждению, которое захочет их изучить.

Поскольку данная генная терапия была использована на человеке впервые, никто не может предсказать, какие побочные эффекты она может вызвать.

По словам самой Элизабет: - «Если произойдет что-то страшное, я все равно буду уверена, что сделала правильный шаг. Если один шаг может изменить мир, и этот шаг будет стоить жизни, он должен быть сделан».

Еще до начала эксперимента в течение семи лет участники проекта работали над созданием препарата для более широкого использования в омолаживающих целях.

По словам доктора Уильямса, одного из научных консультантов проекта, по предварительной версии коктейль молодости может состоять из ингибитора миостатина, приводящий к росту мышечной массы и уже ставшей легендарной теломеразы — фермента, позволяющего клеткам делиться бесконечно.

На базе теории предельного деления и концевой недорепликации ДНК клеток испанские ученые из Национального центра по изучению рака разработали современную, оригинальную методику определения биологического возраста человека.

Поскольку наиболее показательными являются возрастные изменения на молекулярном уровне, их методика базируется на анализе крови.

Ученые определяют истинный биологический возраст человека, измеряя длину теломер.
Используя эту методику, в Мадриде была создана компания «Life Length» («Продолжительность жизни»), которая на основании результатов анализа крови может устанавливать примерный биологический возраст человека.


                Эксперимент американского микробиолога Брайана Хенли,


Генная терапия еще не перешагнула стадию клинических испытаний, но энтузиасты все чаще решаются на эксперименты с собственными ДНК.

В частности, в 2015 г. 60-летний американский микробиолог Брайан Хенли, которому исполнилось 60 лет провел рискованный эксперимент, введя в организм собственный геном.

Ученый разработал уникальную плазмиду — маленькую кольцевую молекулу ДНК, отдельную от геномных хромосом и способную реплицироваться автономно.

За основу был взят ген гормона роста (GHRH). Эта молекула, попадая в организм, стимулирует выделение гормона роста, повышает наш иммунитет.

Для генной инъекции был выбрал метод электропорации. Суть его в том, что с помощью электрического разряда в клеточной мембране временно пробиваются «дыры», через которые в клетки проникают молекулы. В заранее обозначенное место путем оперативного вмешательства была введена плазмида.

Спустя полгода основные итоги эксперимента заключались в том, что повысились показатели гормона тестостерона, форменных элементов крови, в том числе уровня лейкоцитов и липидов в крови. Доктор отмечал хорошее самочувствие, увеличение подвижности и работоспособности, что позволяло вести более активный образ жизни.

За состоянием здоровья экспериментатора следят его коллеги из Гарвардского университета, где работают лучшие эксперты по генной инженерии.