Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Еще одно свойство теломер представляет большой интерес с точки зрения биологии и человеческого здоровья. Еще в 1960-е годы специалисты изучали, как клетки делятся в лабораторных условиях. Ученые не работали с линиями раковых клеток, поскольку те происходят от клеток, которые стали бессмертными из-за аномальных изменений. Вместо этого они изучали фибробласты — одну из разновидностей клеток, имеющуюся в целом ряде тканей человеческого организма. Фибробласты вырабатывают так называемый внеклеточный матрикс — что-то вроде толстых пастообразных обоев, которые удерживают клетки на месте. Довольно легко сделать биопсию (скажем, кожи) и выделить фибробласты. Они будут расти и делиться, образуя культуру клеток. Таким путем ученые еще довольно давно установили, что клетки в общем-то не могут делиться вечно. Рано или поздно наступает момент, когда они прекращают деление, даже если их по-прежнему снабжают всеми необходимыми питательными веществами и кислородом. Клетки не умирают, они просто перестают размножаться. Это так называемое клеточное старение⁵.

Позже ученые выяснили, что теломеры укорачиваются с каждым делением клетки. Всякий раз, когда одна из клеток делится, ДНК, содержащаяся в ней, копируется. Благодаря этому обе дочерние клетки наследуют 46 хромосом материнской клетки. Однако система, копирующая ДНК в хромосомах, не может добраться до самых их концов. Поэтому новые и новые циклы клеточного деления приводят к тому, что теломеры становятся всё короче и короче⁶.

Впрочем, это не доказывало, что укорачивание теломер — действительно причина старения клеток. Нельзя было исключить, что подобное воздействие на длину теломер служит своего рода маркером, регулирующим процесс размножения клеток, однако не играет особой роли в изменениях их поведения.

Речь идет об очень важном принципе научных исследований. Во многих ситуациях мы видим корреляцию между какими-то двумя явлениями, но из этого еще не следует, что между ними существует реальная взаимосвязь. Вот один пример. Существует четкая взаимосвязь между развитием рака легких и сосанием леденцов от кашля. Разумеется, из этого не вытекает, что сосание леденцов от кашля вызывает рак легких. Просто для многих людей один из первых симптомов рака легких — постоянный кашель. А человек, страдающий от такого кашля, наверняка будет пытаться облегчить свое положение при помощи леденцов.

Подтверждение того, что укорачивание теломер действительно приводит к клеточному старению, появилось в 1990-е годы. Ученые показали: увеличивая длину теломер в фибробластах, можно добиться того, что клетки перестанут стареть и будут жить практически вечно⁷.

Теперь общепризнано, что теломеры действуют как своего рода молекулярные часы, ведущие обратный отсчет по мере нашего взросления. Пока еще не все детали ясны. В этой области биологам непросто вести исследования — по целому ряду причин. Начнем с того, что в любой клетке 92 теломерных участка (по одному на каждый конец каждой хромосомы) имеют неодинаковую длину. Поэтому трудно задать какие-то стандарты длины теломеры, применимые по всей клетке, не говоря уж о стандартах, применимых для всего организма человека⁸. Кроме того, при исследовании взаимосвязей теломер и старения очень трудно использовать излюбленное модельное животное ученых — мышь. Дело в том, что у грызунов чрезвычайно длинные теломеры, гораздо длиннее человеческих. Как известно, средняя продолжительность жизни у грызунов гораздо меньше, чем у человека. А значит, длина теломер, по-видимому, не единственный определяющий фактор старения. Однако результаты многолетних исследований говорят: у человека теломеры играют весьма важную роль.

Забота о шнурках

Мы точно знаем одно: наши клетки не сдаются процессу старения без боя. У них есть механизмы, при помощи которых они пытаются дольше сохранять теломеры длинными и нетронутыми. Именно поэтому наши клетки проявляют так называемую теломеразную активность. Теломеразная система добавляет новые ТТАГГГ-мотивы на концы хромосом, по сути, восстанавливая важные участки мусорной ДНК, которые утрачиваются при делении клеток. Теломеразная активность требует двух компонентов. Во-первых, требуется особый фермент (теломераза), который пристраивает необходимые повторяющиеся последовательности к концам хромосом. Во-вторых, требуется кусок РНК, определенная последовательность, которая служит матрицей для фермента, чтобы тот добавлял к хромосомам нужные нуклеотидные основания.

Итак, концевые участки наших хромосом в значительной степени полагаются на мусорную ДНК, геномный материал, не кодирующий белки. Сами по себе теломеры можно счесть генетическим мусором. Чтобы поддерживать их существование, клетка использует ген, который служит для выработки РНК, однако никогда не используется как матрица для синтеза белка. Причем РНК сама по себе — молекула, выполняющая жизненно важные функции в человеческом организме[10]^,9.