зучение биологии теломер должно помочь увеличить продолжительность жизни людей и значительно снизить частоту встречаемости заболеваний, в настоящее время являющихся основными причинами смертности: болезней сердца, инсульта и болезни Альцгеймера. Риск развития всех этих заболеваний экспоненциально возрастает по мере старения человека, и оказываемая ими нагрузка на общество значительно снизится, когда мы научимся воздействовать на работу биологических часов старения организма.
Казалось бы, что Нобелевская премия 2009 года должна была стимулировать изучение биологии теломер, однако это направление до сих пор остается специализированной отраслью медицинских исследований, и только немногие биологи серьезно воспринимают его перспективы в профилактике и лечении возрастных болезней. Национальные институты здравоохранения США располагают средствами на изучение заболеваний сердца, рака, а также болезней Альцгеймера и Паркинсона, но самым лучшим вложением в данном случае было бы инвестирование в исследования биологии теломер. На изучение перечисленных заболеваний тратятся многие миллиарды долларов, так как они считаются «медициной» и финансируются Национальными институтами здравоохранения, тогда как изучение биологии теломер считается «наукой» и финансируется Национальным научным фондом США. В 2013 году на изучение биологии клетки было выделено всего 123 миллиона долларов, и только мизерная часть этой суммы была потрачена на изучение биологии теломер. Частный сектор уделяет данному вопросу немного больше внимания, однако они делают лишь краткосрочные вложения, тогда как в действительности необходимо проведение направленных исследований с долгосрочной перспективой.
Существуют убедительные свидетельства в пользу того, что изменение длины теломер является одним из основных механизмов работы биологических часов старения. Организм знает, как удлинять теломеры, однако предпочитает не делать этого. Нам надо только дать ему сигнал к активации гена теломеразы (фермента, восстанавливающего длину теломер), имеющегося в каждой клетке. Очевидно, что эффективность этого подхода не гарантирована, однако по сравнению с вялым прогрессом в изучении отдельных заболеваний он является весьма привлекательной проблемой, особенно учитывая то, что его мишень достаточно проста. По мнению автора, описанная перспектива достойна проведения прорывного исследовательского проекта.
Три возражения против изучения теломеразы
- «Старение неизбежно, так как, согласно законам физики, ничто не вечно».
Это утверждение ссылается на второй закон термодинамики, согласно которому развивающиеся в изоляции закрытые системы со временем утрачивают упорядоченность. Однако живые системы являются открытыми, потребляющими энергию в виде продуктов питания или солнечного света и высвобождающими свою энтропию в окружающую среду. Не существует причин, по которым подобные системы не могут поддерживать свое существование бесконечно. В действительности рост и созревание не были бы возможны при распространении упомянутого закона физики на открытые термодинамические системы. Уже в 19-м столетии, когда были сформулированы законы термодинамики, стало очевидным то, что старение нельзя объяснить физическими законами и, соответственно, его объяснение следует искать в механизмах эволюции. - «Эволюция была направлена на увеличение продолжительности жизни для того, чтобы повысить выносливость организма. Маловероятно, что какое-либо простое вмешательство в физиологию, которое сможет разработать человек, обеспечит результаты, превосходящие достигнутое эволюцией за миллионы лет».
В действительности эволюция была направлена не на увеличение продолжительности жизни, а на обеспечение достаточного количества времени для репродукции. Старение является формой запрограммированной гибели, происходящей согласно гибкой, но непреклонной схеме. Существуют механизмы старения, запрограммированные в живых организмах уже на уровне первых эукариотных клеток. Укорочение теломер используется для управления клеточным циклом и является основным механизмом запрограммированной клеточной гибели в течение, по крайней мере, миллиарда лет. Многие виды простейших не экспрессируют теломеразу в процессе митоза (только в фазе конъюгации), поэтому их теломеры укорачиваются при каждом делении, что накладывает ограничение в несколько сотен циклов репродукции на одну клеточную линию. Этот механизм является предшественником старения теломер, по сей день происходящего в клетках человека и других высших животных. - «Экспрессия теломеразы повысит риск развития рака». Вокруг данного предположения существует достаточно много теоретических обоснований, которые, по мнению автора, совершенно неверны. Злокачественные клетки действительно экспрессируют теломеразу. Однако предложение, согласно которому экспрессия теломеразы превращает клетку в раковую, в корне неверно. Подробное объяснение этой взаимосвязи дано двумя уважаемыми экспертами (Shay and Wright, 2011).
При проведении ранних исследований единственным методом повышения активности теломеразы в клетках лабораторных животных было введение в их геном дополнительных копий гена, кодирующего этот фермент. Доступная в начале 2000-х годов технология не позволяла встраивать ген в заданный регион хромосомы. Встраивание происходило случайным образом. Известно, что подобные манипуляции со структурой ДНК повышают риск развития рака независимо от того, какие гены встраиваются или удаляются. При проведении трех из этих ранних исследований было зарегистрировано повышение риска развития рака у мышей [1, 2, 3].
Не существует лабораторных исследований, результаты которых свидетельствовали бы о том, что активация собственной теломеразы повышает риск развития рака. Согласно современным представлениям, теломераза - не необходимое условие запуска процесса озлокачествления ее экспрессия является обязательной только для поддержания роста большинства прогрессирующих злокачественных опухолей. Последние исследования,проведенные лабораторией Роберта де Пино (Robert de Pinho) из Гарвардского университета и испанскойлаборатории Марии Бласко (Maria Blasco), посвящены изучению возможности манипуляций с теломеразой для снижения риска развития рака. Следует отметить, что ранние исследования, на основании которых десять лет назад было высказано беспокойство по поводу безопасности работы с теломеразой, были проведены этими же учеными.
Также проведено большое количество исследований, продемонстрировавших, что (а) экспрессия теломеразы не повышает риск развития рака у лабораторных животных и (b) короткие теломеры ассоциированы с очень высоким риском развития рака. По мнению автора, использование активаторов теломеразы значительно снизит вероятность развития рака. Это произойдет, во-первых, благодаря уничтожению провоспалительных клеток, являющихся потенциально канцерогенными из-за укороченных теломер, и во-вторых, за счет омоложения иммунной системы, обеспечивающей защиту организма от развития рака. В прошлом году автор опубликовал статью, посвященную этому вопросу (J.J.Mitteldorf, Telomere biology: Cancer firewall or aging clock?, Biokhimiya, 2013, Vol. 78, No. 9, pp. 1345-1353; перевод на русский доступен в «бумажном» издании журнала «Биохимия»).
Почему мы можем ожидать от удлинения теломер значительного увеличения продолжительности жизни
Ответ на этот вопрос очевиден, поэтому сформулируем его по-другому: какие факторы указывают на то, что увеличение длины теломер окажет очень мощное влияние на разнообразные аспекты биологии старения?
А) Укорочение теломер является древним механизмом старения
Протисты - это первые одноклеточные эукариоты, появившиеся на Земле миллиард лет назад (их структура значительно сложнее структуры бактерий, появившихся примерно на 3 миллиарда лет раньше). Протисты имеют линейную ДНК и, соответственно, потребность в теломеразе. Так как протисты размножаются простым делением, можно было бы предположить, что эти клетки не должны «стареть» или даже то, что концепция старения не имеет смысла для их клеточного цикла. Однако клеточные линии протистов могут стареть, а с некоторыми это в действительности происходит. В основе этого лежит самый старый из известных механизмов старения, заключающийся в воздержании от использования теломеразы.
В качестве примера можно привести парамеции (инфузории-туфельки). Репродукция парамеций заключается в делении клетки и репликации ДНК в отсутствии экспрессии теломеразы. В результате при каждом делении клетки происходит укорочение ее теломер. Парамеции могут вступать в конъюгацию, являющуюся примитивной формой полового обмена генетической информацией. Клетки двух парамеций сливаются и обмениваются ДНК, после чего разделяются. Экспрессия теломеразы характерна исключительно для процесса конъюгации. Поэтому любая не вступающая в конъюгацию клеточная линия вымирает через несколько сотен поколений. Это предотвращает возникновение чрезмерной однородности клеточных колоний. Таким образом, можно утверждать, что возраст механизма старения составляет миллиард лет, а некоторые из его генетических компонентов сохранялись и передавались через все трансформации многоклеточных форм жизни. William R Clark написал на эту тему де книги, находящиеся в открытом доступе [1, 2].
В) Теломеры человека укорачиваются с возрастом
Этот факт стал известен более 20 лет назад.
С) Люди с короткими теломерами входят в группу риска по преждевременной смертности
Этот факт установлен Ричардом Каутоном (Richard Cawthon, 2003) и описан в статье, удивившей специалистов, занимающихся изучением данного вопроса. В конце концов, если вся сложность процесса старения заключается в укорочении теломер, почему бы организму не решить эту проблему путем экспрессии теломеразы? Это бы усилило индивидуальную выносливость организмов. Почему же эволюция не воспользовалась таким простым приемом? (Ответ на это, конечно, заключается в том, что естественный отбор благоприятствует старению ради сохранения демографической стабильности. Большинство эволюционных биологов не рассматривают эту движущую силу эволюции.) Каутон продемонстрировал, что для 25% 60-летних участников исследования, имевших наиболее длинные теломеры, был характерен в два раза более низкий риск смерти, чем для 25% участников с наиболее короткими теломерами. Каутон имел доступ к уникальной базе данных, содержащей законсервированные образцы крови 20-летней давности. Насколько известно автору, в течение 11 лет (на момент написания данной статьи) никому не удалось ни воспроизвести, ни опровергнуть полученные Каутоном результаты.
D) При анализе данных с учетом возрастного фактора, люди с короткими теломерами входят в группу риска по развитию различных заболеваний, в особенности болезней сердечно-сосудистой системы
Эта взаимосвязь выявлена не только в оригинальном исследовании Каутона, но и при проведении целого ряда других работ [1, 2]. Продемонстрирована также взаимосвязь между длиной теломер и риском развития слабоумия [1, 2], а также сахарного диабета [1, 2].
Е) При анализе результатов с учетом возраста, животные с короткими теломерами также входят в группу высокого риска скорой смерти
Это было продемонстрировано в исследованиях на нескольких видах птиц [1, 2, 3] и павианах. Уже в 2003 году было установлено, что теломеры особей долгоживущих видов укорачиваются медленнее, чем теломеры представителей видов с малой продолжительностью жизни.
F) Небольшие исследования на мышах продемонстрировали способность стимуляторов теломеразы омолаживать организм животных
(Считается, что мыши являются значительно менее эффективной мишенью данной стратегии по сравнению с человеком, так как, судя по всему, старение человека намного сильнее зависит от укорочения теломер, чем старение мышей.)
Первый подобный эксперимент был проведен в 2008 году. Испанский исследователь Томас Лоба (Tomas-Loba) из лаборатории Марии Бласко создал генетически модифицированных мышей, одновременно устойчивых к раку и имеющих дополнительную копию гена теломеразы, экспрессируемую в некоторых тканях, для которых в норме экспрессия этого гена нехарактерна даже у мышей. Продолжительность жизни этих животных была на 18% выше продолжительности жизни устойчивых к раку мышей, имеющих только обычный ген теломеразы.
Однако вскоре было установлено, что предосторожности, предпринятые в отношении риска развития рака, могли быть излишними. Другой исследователь из той же лаборатории Бернардез де Хесус (Bernardes de Jesus, 2011)опубликовал данные, согласно которым ему удалось увеличить продолжительность жизни мышей с помощью коммерчески доступного продукта TA-65 (широко известного как циклоастрогенол) без увеличения риска развития рака. Циклоастрогенол является слабым активатором теломеразы, по сравнению с синтетическими соединениями, разработанными специалистами компании Sierra Sciences. Его активность сопоставима с активностью ряда других растительных экстрактов. Однако исследователи лаборатории Марии Бласко продемонстрировали, что краткосрочная терапия TA-65 обеспечивала удлинение даже наиболее коротких теломер мышей. Это сопровождалось улучшением целого ряда показателей состояния здоровья, в том числе чувствительности тканей к инсулину.
Впоследствии лаборатория Blasco работала с более мощным (хотя и более опасным) методом индукции теломеразы - инфицированием модифицированным ретровирусом, встраивающим ген теломеразы в ядерную ДНК инфицированных клеток. «Введение мышам в возрасте 1 и 2 года терапевтического аденоассоциированного вируса широкого тропизма, экспрессирующего мышиный ген TERT, оказывало выраженное влияние на состояние здоровья и выносливость животных, в том числе на такие показатели, как чувствительность тканей к инсулину, выраженность симптомов остеопороза, нервно-мышечная координация и несколько молекулярных биомаркеров старения» (Bernardes de Jesus et al., 2012). При начале терапии в 2-летнем возрасте продолжительность жизни мышей увеличивалась на 13%, а при начале терапии в возрасте 1 год - на 24%. При этом увеличения частоты развития рака не наблюдалось.
Наиболее выдающимся примером омоложения является достижение лаборатории Роберта де Пино из Гарвардского университета. Как правило, клетки мышей (в отличие от клеток человека) экспрессируют теломеразу на протяжении всей жизни. Исследователи создали модифицированных мышей, не имеющих нормальной (постоянно активной) версии гена теломеразы. Вместо этого животные имели ген теломеразы, который можно было активировать или инактивировать с помощью химического соединения, добавляемого в корм животных. По мере старения у таких мышей развивалось множество тяжелых симптомов дегенерации семенных желез, селезенки, кишечника, нервной системы и других органов. Прогрессирование этих симптомов не только прекращалось, но и обращалось вспять при активации теломеразы на поздних этапах жизни животных. Особенно интересным оказалось влияние на нервную систему, так как, в отличие от клеток кишечника и кожи, нервные клетки функционируют на протяжении всей жизни организма и не нуждаются в постоянном обновлении за счет стволовых клеток. Несмотря на это, у стареющих мышей с инактивированным геном теломеразы снижалась чувствительность органов чувств и способность к обучению. Активация теломеразы полностью восстанавливала эти нарушения.
Исследователи Стэнфордского университета и компании Geron провели эксперименты с «кожей», выращенной из клеток человека в лабораторных условиях. Они установили, что инфицирование клеток модифицированным ретровирусом, встраивающим в их геном ген теломеразы, обеспечивает искусственной коже восстановление эластичности, мягкости и фактуры, характерных для кожи молодого организма.
G) Помимо выполнения основной функции, заключающейся в удлинении теломер, теломераза выступает в роли своего рода гормона роста
Эта гипотеза была предложена в 90-х годах прошлого столетия и получила убедительное подтверждение в виде результатов, полученных учеными Стэнфордского университета [1, 2, 3, 4]. В рамках этой работы была создана линия мышей, имеющих измененную теломеразу, в которой отсутствовал компонент, необходимый для синтеза теломер. Несмотря на это, была продемонстрирована способность теломеразы индуцировать рост шерсти животных. Была также показана способность теломеразы воздействовать на гормональный сигнальный механизм, известный как Wnt. Другие функции теломеразы рассматриваются в статье Cong and Shay (2008).
Н) На примере одного человека продемонстрировано, что прием больших доз активаторов теломеразы растительного происхождения обеспечивает омоложение
С недавнего времени автор поддерживает отношения с физиком из Канзаса, который в течение шести лет принимает огромные дозы активирующих теломеразу растительных препаратов и пищевых добавок и заявляет, что это улучшило его внешний вид и самочувствие, а также положительно сказалось на его физических способностях. Он может быть интересен для изучения проблемы на примере одного случая. Jim Green комментирует эксперимент над собственным организмом в своем блоге.
Выводы
По мнению автора, активация теломеразы является направлением, открывающим наиболее перспективные возможности увеличения продолжительность жизни человека уже в течение ближайших нескольких лет. Исследования в этой области ведутся очень медленно из-за дефицита финансирования и недостатка внимания.
