СИСТЕМА «Теломера-теломераза»: старение и пути к
реклама
СИСТЕМА «Теломеры-теломераза»: старение и пути к долгожительству О.И. Шушляпин, *С.А.Лазарева , *Л.Г.Кононенко, В.И.Золотайкина, А.Ю.Титова, П.И.Рынчак Харьковский национальный медицинский университет, *27-я городская клиническая больница и Центр Доказательной медицины, Харьков ___________________________________________________________________________ Многочисленные современные варианты первоначальной «теории износа», возрастание энтропии, накопление генетических дефектов и повреждений, запрограммированность лимита существования (эффект Хайфлика) различного для каждого вида, смерть как вероятностное событие при взаимодействии с окружающей средой или как результат естественного отбора признаков (генов), обладающих одновременно полезними и повреждающими свойствами – вот перечень ключевых возрений о причинах естественной смерти, возникающих на основе фундаментальных наук, в частности, экологии, генетики, молекулярной биологии и онтогенеза [1, 8]. Теломерная теория старения и пути к продлению жизни основаны на изучении человеческой теломеразы, а соответственно на попытках генетического омоложения человека. Человечеству была бы нужна активная теломеразы – «волшебный фермент молодости». Один из «железных» способов продлить жизнь – это принцип калорийноограниченного питания. Но эта пожизненная диета не ведет к увеличению средней и максимальной продолжительности жизни [11]. О теломерах. Теломеры – это маленькие участки на концах наших хромосом и когда наши клетки делятся ДНК в хромасомах должна копироваться и во время этого процесса последняя маленькая частичка молекулярной цепи – кончик теломеры – не копируется и на протяжении нашей жизни теломеры постепенно укорачиваются и это явление принято называть проблемой репликации концов хромосом, но которую следует назвать проблемой, запланированной заранее [12]. По мере укорочения теломер клетки «стареют» хуже функционируют и они реже начинают делиться, а стволовые клетки реже производят новые копии, а к какому-то моменту их совсем перестают производить. В результате этого человека подводит зрение, наша кожа теряет эластичность, хуже работает иммунная система и начинают происходить ряд других изменений, связанных со старением и при этом нельзя изменить скорость возникновения главных болезней – патология сердца и сосудов, злокачественные опухоли, цереброваскулярные болезни, грипп и пневмония (инфекционные болезни), атеросклероз, сахарный диабет, бронхит, бронхиальная астма, нефриты, цирроз печени -, если не удаться добиться добиться замедления скорости старения. При этом старение – это своего рода болезнь и задача геронтологии заключается не столько в продлении жизни, сколько в замедлении скорости старения, а значит и прогрессирования главных болезней [4,5]. Системные подходы исследований к генам клеточного старения и долголетия человека В настоящее время известно, что реактивация теломеразы продлевает «репликативную» жизнь соматических клеток, т.е. увеличивает число их делений. Однако, это именно то, что происходит в опухолях и приводит их к злокачественному росту [13]. Как же достичь долголетия человека, замедлив старение, в то же время не вызывая развития злокачественных новообразований? 2 Одним из предлагаемых путей является реактивация теломеразы в пролиферирующих клетках на фоне стимулирования активности нормальных вариантов онкосупрессоров: р53, р16 и ARF. Так, было показано, что конститутивная сверхэкспрессия обратной транскриптазы (субъединицы теломеразы) с повышенной активностью ключевых супрессоров опухолей, перечисленных выше, приводит к значительному увеличению медианной продолжительности жизни и замедлению различных показателей старения, в частности кожи и кишечника [2]. Полагают, что клеточное старение – это генетическая программа необратимой остановки клеточного цикла, блокирующая реакцию клетки на пролиферирующие стимулы и факторы роста при наличии нерепарируемых повреждений ДНК, в частности, критически укороченных телемер. Выдвигается даже гипотеза, что в эволюции клеточное старение возникло для того, чтобы не дать переродиться геетически поврежденной клетки в опухолевую и определяющую роль в этом процессе, возможно, играет ген супрессора опухолей р53. Его продукт экспрессируется повсеместно во всех типах клеток в виде неактивного, латентного транскрипционного фактора и активируется только тогда, когда клетка подвергается различным стрессам, таким как потеря теломер, повреждение ДНК, активация онкогенов или оксидативный стресс и несмотря на то, что в стареющих клетках, в частности, фибробластах уровень белка р32 или его мРНК не увеличивается, но возрастает степень его фосфорилирования, а, следовательно, возрастает ДНКсвязывающая активность и в результате этого уровень основной мишени р53 и белка р21 в стареющих клетках остается значительно повышен, который при этом нарастает с числом клеточных делений. Именно р21 отвечает за р53 – зависимую остановку клеточных делений. Р53 – зависимая индукция гена 21 приводит к клеточному старению на том основании, что белок р21 ингибирует клеточные регуляторы, в частности, регуляторы клеточного цикла – циклин-зависимые киназы, а также блокирует репликацию ДНК, связываясь с ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA), что и обуславливает необратимость клеточного цикла старения [3, 23]. Недавно было показано, что кодируемые другим локусом –INK4A-FRF – белки p16 и р14 (ARF) также представляют собой клеточные регуляторы клеточного старения. Белок р16, как и р21 выступает в роли ингибитора циклинзависимых киназ. Экспрессия р16 заметно увеличивается с возрастом практически во всех тканях и это результат активации белка митоген-активируемой протеинкиназы р38 в ответ либо на оксидативный или генотоксический стресс, которая есть ничто иное, как опосредованное повышение уровня экспрессии р16 [14, 22]. Удивительным открытием было обнаружение того факта, что р53 играет определяющую роль не только при старении пролиферирующих клеток, но и постмитотических, таких как нейроны или клетки сердечной мышцы и в этом процессе речь идет р53 зависимом апоптозе, когда, например, экспрессия доминантно-негативных, неспособных с ДНК вариантов р53 в нейронах приводит к продлению на 10-20% медианной и максимальной продолжительности жизни, но в тоже время на других биологических образцах, например, различных видах мышей с измененными сверхактивными формами р53 происходит процесс ускоренного старения, характеризуясь короткой продолжительностью жизни и ускоренным развитием возраст-зависимых патологий, а при этом в ряде случаев добавочные копии гена р53 и находящаяся под нормальным генетическим контролем экспрессия, характеризуется у предыдущих биологических объектов усиленным ответом на ДНК с низкой частотой возникновения злокачественной опухоли, но не проявляют признаков ускоренного старения или стареют медленнее [15]. Старение клетки – это загадочный феномен, возможно, играющий определенную роль в старении целостного организма и как было показано у человека, что при более низких концентрациях теломеразы и меньшей длине теломер в лимфоцитах 3 периферической крови в несколько раз увеличивался риск сердечно-сосудистых заболеваний, составляющих, как известно, главную причину старческой смертности [6]. Программа клеточного старения может быть активирована в теломеразапозитивных клетках, какими являются стволовые клетки и поэтому убыль количества стволовых клеток является одной из причин возраст-зависимых нарушений регенерационной способности организма. Решение данной проблемы возможно на путях введения эмбриональных стволовых клеток в организм человека, но это может приводить к отторжению чужих клеток при их трансплантации. Перепрограммирование собственных дифференцированных клеток в подобие эмбриональных клеток приводит к возникновению устойчивых свойств стволовых клеток благодаря обнаружению ряда регуляторых белков, обуславливающих свойства истинно стволовых клеток и увеличивающих продолжительность жизни человека [7]. Следующие факты указывают на то, что клеточное старение – репликативное и стресс-идуцированное, а также сокращение пролиферирующих клеток вообще и стволовых, в частности, приводит к нарушению регенераторной способности тканей и на фоне возраст-зависимой активации апоптоза в ряде тканей при подавлении компенсаторной пролиферации (замещение одних клеток другими) происходят дегенеративные нарушения, что снижает функциональные возможности организма, находя выражение в таких процессах: длина теломер связана со старением целостного организма (1), модельные организмы с дефектами теломеразы характеризуются ускоренным старением и пониженной продолжительностью жизни (2), некоторые симптомы ускоренного старения у человека связаны с преждевременной дисфункцией теломер (3), стареющие клетки способны разрушать межклеточный матрикс, а также индуцировать локальное воспаление и онкогенез (4), снижение пролиферативных способностей или утеря стволовых клеток при старении снижает регенераторные способности любой ткани организма (8) [21]. Ведущие ученые мира видят перспективы исследований клеточного старения для решения новых путей в достижении качественного долголетия на путях: 1. Разработки методов определения биологического возраста человека на основании специфических маркеров клеточного старения; 2. Создание способов контроля экспресии генов, участвующих в клеточном старении – теломеразы, р53, р21, р14 и ARF фармакологическими и генно-инженерными методами in vivo [17]; 3. Отработка безопасных подходов к перепрограммированию дифференцированных клеток в стволовые in vivo, в частности исследованиями, показавшими что опосредованное ретровирусом введение четырех транскрипционных факторов (Oct4 /Sox2/ Klf4 /c-Myc) во взрослые дифференцированные клетки приводило к их переходу в клетки, что повышало продолжительность жизни человека [9]. Теломера – фермент, удлиняющий теломеры. Ген, который закодирован на это, присутствует в каждой клетке нашего организма. Однако в большинстве из клеток он не «выражен», что означает, что он не превратился в теломеразу[18]. На протяжении нескольких последних лет обсуждение возможности продления теломер сводилось, главным образом, к самому важному - это возможности включения этого гена, т.е. активации теломеразы и тогда полагали, что, когда нам удасться это сделать, то тем самым станет возможным удлинять теломеры во всех клетках организма и, таким образом, со старением будет покончено. Однако последние исследования in vivo показали, что активация теломеразы не увеличивала среднюю длину теломера и даже не замедляла укорочение теломер в клетках [10]. Все время пока ведутся поиски по активации теломеразы ученых мучает вопрос «Что ещё может замедлить укорочение теломер?». Ответ оказался прост: «Нужно сохранять в целостности те теломеры, которые существуют в клетках и принимать те натуральные средства или так называемые нутрацевтики, которые могут замедлить 4 старение, воздействуя на его истинную причину – укорочение теломер» в противовес образному выражению «Что имеем, то не ценим, потерявши плачем»[20]. Одним из разработчиков данных стала фирма под торговой маркой «Terraternal», авторские права которой защищены международной лицензией на их продажу в 2008 году и при создании продуктов по защите теломер были взяты результаты научных открытий благодаря соединению в одном мощном по воздействию продукте наиболее перспективные в этом отношении нутрацевтики - полезные для здоровья пищевые добавки при длительном курсовом их применении [19]. Старение – разрушительный биологический процесс в соответствии с генетическизапрограммированной теорией старения, а также описывается наиболее вероятный кандидат в гены старения, который называется – теломеры, при котором ограничивается приспособляемость организма и увеличивается вероятность смерти. Старение является домокловым мечом, занесенным над каждым человеком, начиная с 20-ти летнего возраста. Возраст-зависимые патологии: инфаркт, инсульт, онкологические заболевания, патология опорно-двигательного аппарата, психические и инфекнционные заболевания пожилого возраста [16]. Теломераза фермент, который достраивает укороченную теломеру в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие на основе установленных следующих фактов: 1. Концы линейных хромосом с 3’-конца ДНК заканчиваются повторяющимися последователностями нуклеотидов, получивших название теломер, которые синтезируются рибонуклеиновым ферментом - теломеразой 2. Соматические клетки эукариот, имеющие линейные хромосомы, лишены теломеразной активности. Их теломеры укорачиваются в процессе онтогенеза по мере старения in vivo, так и при культивировании in vitro 3. Половые клетки и клетки иммортиризованных линий, а также опухоли имеют высокоактивную теломеразу, которая достраивает 3’-конец ДНК, на котором реплицируется комплементарная цепь при делении 4. Структуры теломер сильно различаются среди простейших, однако у всех позвоночных они одинаковы – (TTAGGG)n 5. Имеются существенные межвидовые различия в длине теломер, причём у мыши общая их длина в несколько раз превышает таковую у человека (до 150 тыс пар нуклеотидов у некоторых видов мышей и 7-15 тыс. пар нуклеотидов у человека) 6. Репрессия теломеразы клеточное старение в культуре («Лимит Хейфлика») 7. Клетки больных синдромом преждевременного старения Хатчинсона-Гилфорда и синдромом Дауна имеют укороченные теломеры. 8. При введении теломеразы клетки фибробластов человека, которые в норме делятся лишь 75-80 раз способны поделиться 280 раз без каких-либо признаков старения и патологии. Тщательное исследование выявило, что в этих клетках нет таких признаков малигнизации, как, например, нестабильность хромосом, независимый от добавления натуральной сыворотки рост, отсутствие контактного торможения и потеря контроля над клеточным циклом. Кроме того, что особенно важно, из этих клеток не развиваются опухоли при трансплантации безтимусным мышам. Полученные данные свидетельствуют о том, что экспрессия теломеразы в культуре клеток человека совсем не обязательно вызывают вызывают развитие рака, т.е. теломераза лишена свойств онкогена. Основным свойством теломеразы является контроль клеточного деления, а для возникновения опухолевого роста необходимы дополнительные мутации и факторы. 9. Введение каталитического компонента теломеразы hTERT или теломеразной активности с помощью онкобелка вируса папиломы человека Е7 в кератоциты или в клетки эпителия человека не приводило к их полной иммортализации. Последняя наступала лишь при дополнительном торможении регуляции антионкогена Rb или 5 при угнетении экспрессии р16 в качестве второй важнейшей ступени этого процесса. При элиминации антионкогена р53 такого эффекта не наблюдалось. С другой стороны, протоонкоген с-Мyc может активировать экспрессию теломеразы. С помощью опосредованного микроклетками переноса маркированного геном пео хромосому 20 из стареющих и молодых диплоидных фибробластов человека ввели в молодые фибробласты. Во всех новообразованных клонах наблюдалось уменьшение пролиферативного потенциала на 17-18 удвоений. 10. К восьмому десятку жизни частота деления кожи сокращается на 50%. Клиническое наблюдение: корреляция количества родинок на коже человека с длиной теломер. Размер и количество родинок связано с длиной теломер, что представляет собой потенциальный маркер старения. Родинки представляют собой один из важных факторов риска развития миелом. Они появляются в детстве и подростковом возрасте, и подвергаются инволюции, начиная со среднего возраста. Изучалась длина теломер у 1897 женщин в возрасте от 18 до 79 лет. При этом количество родинок (невусов) положительно коррелировало с длиной теломер. В среднем на теле взрослого человека можно найти от 30 до 100 родинок, однако в некоторых случаях их может быть более 400. Обнаружено статистически значимую корреляцию по длине теломер между участниками исследования с менее чем 25 родинками на теле и теми, у которых их было более 100, в клетках которых теломеры были значительно длинней. Это означало, что по «теломерному маркеру» клетки этих людей были «моложе» приблизительно на 6-7 лет. Делается вывод, что понимание механизмов влияния индукции и инволюции родимых пятен не только поможет в понимании патофизиологии меланомы, но также должны пролить свет на сложные отношения между старением и раковыми опухолями. Кроме того, незначительный риск злокачественных новообразований, связанный с большим количеством родинок, с лихвой компенсируется меньшей склонностью к возрастным заболеваниям. Литература 1. Акоев И.Г., Биофизика познает рак-Москва: Наука – 1987 – 160 с. 2. Биотехнология: учебное издательство для вузов. Книга 1: Проблемы и перспективы /Н.С. Егоров, А.В.,Олексин, В.Д.Самуилова - Москва: Высшая школа -1987 – 159 с. 3. Грунченко Е.В. Что нам стоит многоклеточность – Новосибирск: из-во «Наука» Сибирское отделение – 1985 – 135 с. 4. Дильман В.М.Четыре модели медицины –Лениград: «Медицина»-1987288с. 5. Дильман В.М.Большие биологические часы – Москва: из-во «Знание» 1982-208 с. 6. Канунго М. Биохимия старения – Москва: из-во «Мир» -1982 – 296 с. 7. Лэмб М. Биология старения – Москва – из-во «Мир» - 1980 – 206 с. 8. Милунски О. Знайти свои гены– Москва – из-во «Мир» - 1881 – 392 с. 9. Гуо Н., Перри Э.М., Ли Л.С., Кэмбу Ф., Лодер Н. и др. Короткие теломеры подвергают риску передачу сигналов и долговечность клетки – Nature -2011 -6(3)-PloS ONE: e17858 10. Эргюнм, Сахин и др.Дисфункция теломеров вызывают метаболическую митохондриальную компроментацию – Nature -2012 – 470 – 359-365 s. 11.Каминер, Гильхрест и др. Старение кожи. Principles of Geriatric Medicine and Gerontology, 3-выпуск – McGraw-Hill – New York -1994 – 411-429 s. 12. Яар М., Гильхрест В.А. Старение кожи: теоретические допустимые механизмы и вытекающие из них изменения в структуре и 6 функционировании – Clin. Geriatr. Med. – 2001 -17 – 617-630 s. 13. Фанк В.Д., Ванг С.К., Шелтон Д.Н., Шарли С.В. и др. Экспрессия теломеразы восстанавливает целостность кожи у состарившихся in vitro фибробластов в воссозданной модели кожи – Exp. Cell. Res.- 2000-258270-278 s. 14. Эффрос Р.Б. Старение и иммунная система. Восприимчивость и старение: причины и вмешательство – Novartis Foundation Symposium – 2008 - 235 (eds G. Bock and J.A. Goods) John Willey & Son, Ltd. Chicherst, UK 15. Эффрос Фаyce. Фармакологическое усиление антивирусной функции CDB+Т-лимфоцитов на основе теломеразы – Immunology – 2008 November 15: 181 (10); s.7400 – 7406 16. Майк Фоссель Клетки, старение и заболевание человека. Oxford University Press – 2004 290 s. 17. Ричард Г.А., Фарагер, Дэвид, Киплинг Как репликативное старение может влиять на старение человека - BioEssay - 1998 Desember - Том 20-выпуск 12 –стр 985-991 18. Баур. Шей. Райт. Влияние положения теломеры в клетках человека Sciense -2001 –том 292 - № 5524 – стр. 2075- 2077 19. Харли, Луи, Бласко и др. Натуральный продукт – активатор теломеразы как часть программы сохранения здоровья –Rejuvenation 2010 – том 14 - № 1 – с. 34-39 20. Бласко и др. Активатор теломеразы ТА-85 удлиняет короткие теломеры и увеличивает продолжительность жизни взрослых/старых мышей, не увеличивая частоту заболевания раком. Aging Cell – 2011-том 10выпуск 4 – стр 604-621 21. Йоку, Фурумото и др. Связанное со старением укорачивание теломер замедляется обогащением внутриклеточного витамина С путём подавления оксидазного стресса. Life Sci -1996 -63 (11) – s. 935-938 22. Лоренц М., Сарецки Г., Ситте Н и др. Фибробласты ВJ демонстрируют высокие оксидативные возможности и замедляют укорачивание теломер независимо от hTERT-трансферазы –Free Radic Biol. Med – 2001 – 31 – 824-831 23. Сарецки Г., фон Цглиники. Репликационное старение, теломеры и оксидативный стресс Ann. N. Acad Sci -2002- 959 – 24-29
