Теломеры на концах хромосом
Американским ученым удалось обратить преждевременное старение клеток, взятых у пациентов с прогерией, путем удлинения теломер с помощью РНК-терапии. Результаты работы опубликованы в Journal of the American College of Cardiology .
Теломеры представляют собой «насадки» на концах хромосом, которые обеспечивают репликацию (удвоение) ДНК при делении клеток. С каждым делением они укорачиваются, что ограничивает возможности клеток к размножению (максимально возможное число делений называется пределом Хейфлика). Укорочение теломер с возрастом служит одним из факторов старения организма. В клетках присутствует фермент теломераза, способный увеличивать длину теломер, однако он активен только в клетках, которым необходимо постоянно делиться (стволовых, половых, некоторых эпителиальных и большинстве злокачественных).
Прогерия Хатчинсона-Гилфорда - редкое генетическое заболевание, обусловленное мутацией гена LMNA , который кодирует белок ламин А, входящий в оболочку клеточного ядра. Дефектная форма этого белка, названная прогерином, нарушает архитектуру ядра, репарацию ДНК, многие другие биохимические процессы, а также резко ускоряет укорочение теломер. Все это приводит к быстрому старению организма - средняя продолжительность жизни при прогерии не превышает 13 лет.
Сотрудники Хьюстонского методистского исследовательского института с помощью монохромной мультиплексной количественной ПЦР измерили длину теломер в фибробластах 17 пациентов с прогерией возрастом от 1 до 14 лет, а также аналогичных клетках здоровых новорожденных и взрослых. У 12 пациентов эта длина соответствовала 69-летним здоровым людям, у остальных пяти она оказалась нормальной.
После этого ученые ввели в часть фибробластов пациентов с прогерией матричную РНК (мРНК), кодирующую человеческую теломеразу (hTERT), а в остальные - мРНК, кодирующую каталитически инертную форму этого фермента (CI hTERT), которая связывается с теломерами, но не удлиняет их. Процедуру повторили трижды с интервалом в 48 часов, что привело к стабильной экспрессии мРНК в течение нескольких дней.
РНК-терапия обычной hTERT восстановила пролиферацию фибробластов с укороченными теломерами, уменьшила потерю клеток в культуре и продлила срок жизни клеток. Это сопровождалось признаками омоложения фибробластов, в том числе увеличением активности теломеразы и длины теломер, снижением секреции воспалительных цитокинов и другими (авторы намерены подробно описать их в последующих публикациях). В целом кинетика роста клеток приблизилась к нормальной, но иммортализации (приобретения способности к неограниченному размножению и злокачественному перерождению) клеточной культуры не наблюдалось.
Введение CI hTERT в дефектные фибробласты и hTERT - в фибробласты с нормальной длиной теломер подобных эффектов не производили, то есть за них отвечало именно восстановление длины укороченных теломер.
«Полученные результаты свидетельствуют, что временная экспрессия мРНК теломеразы может служить быстрым и эффективным методом обращения старения клеток при прогерии. Хотя длительная экспрессия теломеразы может вызвать опасения, связанные с иммортализацией, наш подход не привел к перерождению клеток», - пишут авторы работы. В дальнейшем они намерены усовершенствовать методику так, чтобы адаптировать ее к клиническому применению.
Ранее ученым замедлить старение клеток мышей с аналогом прогерии временным «включением» факторов транскрипции, преобразующих зрелые клетки в стволовые. Также был орган-на-чипе для изучения реакции клеток пациентов с прогерией на механическую деформацию.
Физиологическое старение – это мультифакториальное явление, которое находится в зависимости от нескольких генетических и внешних факторов. Одним из генетических факторов, влияющих на скорость старения и продолжительность жизни живых организмов, является длина теломер, теломеры находятся на концах линейных хромосом.
Некоторые современные лаборатории заявляют, что могут спрогнозировать биологическое время вашей жизни. Все, что вам нужно сделать, чтобы узнать, сколько вы сможете прожить, это предоставить 5 мл крови и около 500-700 долларов США и подождать в течение 4-5 недель!
Старение и продолжительность жизни были и остаются загадкой для многих исследователей. Процесс старения зависит от нескольких факторов, включая наличие повреждений ДНК по причине оксидативного стресса, факторов окружающей среды, хронологического (паспортного) возраста, факторов риска, таких как несчастные случаи, и т.д. Предполагается, что помимо этого важную роль в процессе старения играют определенные структуры, называемые теломерами.
Теломеры – это особые структуры, которые находятся на концах линейных хромосом. Они защищают хромосомы и обеспечивают структурную стабильность молекулам линейной ДНК. Отмечено, что во время старения длина этих структур уменьшается.
Что такое теломеры?
Располагающиеся на концах линейных хромосом, теломеры представляют собой специфический набор некодирующих, повторяющихся последовательностей ДНК. Они образуют защитный колпачок на хромосомах и выполняют функцию аналогичную пластиковым наконечникам (эглетам) на концах шнурков.
Для поврежденных концов хромосом характерна «липкость» – они могут присоединяться к другим хромосомам, становясь причиной генетических аберраций. Теломерные повторы придают линейным хромосомам стабильность и не позволяют им изнашиваться и прикрепляться друг к другу.
Почти все теломеры имеют на одной нити общую последовательность Cn(A/T)m [где n>1, а m= 1-4] ,
тогда как другая нить с одним выступающим концом имеет общую последовательность Gn(T/A)m .
Они присутствуют в большинстве эукариотических клеток, а также в определенных прокариотических организмах с линейными хромосомами. У позвоночных теломеры состоят из множественных повторов последовательности: 5′-TTAGGG-3′.
Теломеры как генетические бомбы замедленного действия
Процесс репликации ДНК эукариот начинается в молекуле ДНК с нескольких участков. Синтез новой ДНК происходит посредством лидирующей нити (которая синтезируется непрерывно) и отстающей нити (характеризующейся прерывистым синтезом ДНК). Чтобы инициировать синтез ДНК, вовлеченному в этот процесс ферменту требуется короткий фрагмент РНК, называемый РНК-праймером. В результате крайняя часть 3′-конца отстающей нити остается нескопированной.
«Представьте фотокопировальный аппарат, который делает прекрасные копии вашего текста, но всегда начинает со второй строки каждой страницы и заканчивает ее предпоследней строкой»
- Геном: автобиография вида в 23-х главах (Мэтт Ридли)
- Genome: The Autobiography of a Species in 23 Chapters (by Matt Ridley)
Это явление носит название «концевой недорепликации» и может приводить к потере генетической информации, содержащейся на самом конце молекулы.
Наличие теломер на конце хромосомы предотвращает подобную потерю информации. Во время каждого цикла репликации, происходящего, когда клетка делится, чтобы дать начало двум новым клеткам, часть теломерной последовательности остается нескопированной. Вследствие этого при каждом делении клеток теломеры становятся все короче и короче, этот феномен получил название «укорачивание теломер».
После череды следующих друг за другом делений теломерный участок исчезает полностью, и клетка становится сенесцентной (старой). Таким образом, теломеры служат молекулярными часами или генетической бомбой замедленного действия и не позволяют клеткам быть бессмертными. Впервые это интересное явление ограниченности количества циклов деления, которые может претерпевать клетка, пронаблюдал Леонард Хейфлик в нормальных клетках животных и человека. Он показал, что нормальные клетки плода человека, в культуре, могут делиться всего 40-60 раз, после чего происходит их физиологическое старение. Хейфлик предположил, что именно такое клеточное старение играет важную роль в процессе физического старения.
И хотя укорачивание теломер был связано со старением, точно не известно, является ли оно причиной старения, или служит одним из признаков старения, как например провисание кожи и поседение волос. Тем не менее, исследования обнаружили положительную корреляцию между теломерами и продолжительностью жизни, а также заболеваемостью у людей.
В ходе исследования, проведенного Ричардом Коутоном (Университет штата Юта), испытуемые были разделены на две группы по признаку средней длины их теломер, измеренной с использованием клеток крови. Было установлено, что участники с более длинными теломерами прожили на пять лет дольше, чем участники с более короткими теломерами. Также было отмечено, что среди людей старше 60 лет те, у кого теломеры были короче, оказались в шесть раз более уязвимыми к смерти по причине сердечных заболеваний и имели в восемь раз более высокий риск смертельных инфекций.
Можно ли обратить старение вспять?
Хотя большая часть клеток в нашем организме имеет определенную продолжительность жизни, существует небольшая группа клеток, которые обладают бессмертием. Это возможно благодаря активности рибонуклеопротеидного фермента под названием теломераза, который может формировать и сохранять теломерные повторы на концах хромосом. Этот фермент присутствует во всех молодых клетках, однако в процессе повторяющего снова и снова деления клеток его количество снижается. В случае бессмертных клеток, таких как яйцеклетки и сперматозоиды, а также некоторые иммунные клетки, активность теломеразы остается постоянной.
Итак, можно ли посредством простой активации этого фермента во всех других клетках обращать вспять или останавливать процесс старения? Группа ученых из Гарвардской медицинской школы в Бостоне создала методами генетической инженерии мышей с измененной активностью теломеразы. Этим мышам дали достичь взрослого возраста, после чего в течение месяца поддерживали активность данного фермента. У мышей наблюдалось быстрое старение, однако восстановление активности теломеразы в период зрелости привело к обращению эффектов старения вспять.
Хотя ученые изучали эффект активации теломеразы не у нормальных мышей, а исследовали аномально стареющих мышей, поразительным результатом этого эксперимента стал вывод о том, что признаки старения может обращать вспять. Этот вывод был назван «эффектом Понсе де Леона» в честь исследователя Понсе не Леона, отправившегося на поиски Фонтана молодости. Тем не менее, значимость полученных данных для человека еще не подтверждена.
Постоянная активность теломеразы также наблюдается у чрезвычайно опасных бессмертных клеток – раковых. Укороченные, но стабильные теломеры найдены в нескольких видах раковых клеток. Таким образом, активация теломеразы в целях обращения вспять процесса старения сопровождается значительным риском, который также требует оценки.
Отмечено, что точная длина теломер колеблется у разных людей одного и того же возраста. Ученые утверждают, что измерение длины теломер может позволять предугадывать биологическое время жизни человека. Такие компании, как Life Length (Испания), Telome Health, Inc. (США) и SpectraCell Laboratories, Inc. (США) проводят анализ крови, определяя среднюю длину теломер и прогнозируя таким способом длительность жизни.
Хотя польза прогнозирования продолжительности жизни человека остается под вопросом, подобные тесты пригождаются в определении того, насколько человек здоров, насколько быстро он стареет, и насколько высок у него риск определенных заболеваний и нарушений. Результаты такого анализа могут служить предупреждением, мотивируя человека на ведение здорового образа жизни и применение надежных способов достижения долголетия.
Интернет-магазин www.technodom.kz/ — это качественная техника в Казахстане.
Исследователи из Медицинской Школы Стэнфордского Университета (Stanford University School of Medicine , США) разработали новый метод, позволяющий быстро и эффективно увеличить длину теломер - концевых участков хромосом, которые выполняют защитную функцию и связаны со старением организма и развитием возрастных заболеваний.
Теломеры представляют собой концевые участки хромосом. В молодом возрасте длина теломер составляет около 8-10 тыс. нуклеотидов. С каждым клеточным делением концевые участки укорачиваются, однако, при достижении критической длины, клетки прекращают делиться или погибают.
Новая процедура, подразумевающая использование модифицированных РНК, позволит удлинить теломеры и, таким образом, получать большее количество клеток для экспериментов или разработки препаратов, считают исследователи. Клетки кожи, теломеры которых были искусственно удлинены, могли делиться до 40 раз больше, чем обычные клетки. Потенциально данное исследование может привести к открытию новых способов лечения заболеваний, связанных с укорочением теломер. Испытав новый метод в лаборатории, ученые наблюдали, что экспериментальные клетки вели себя так, словно они были «моложе» контрольных клеток - вместо стагнации или гибели клетки эффективно делились. Результаты исследования опубликованы в FASEB Journal .
«Мы нашли способ удлинения хромосом человека на 1 тыс. нуклеотидов, повернув назад «внутренние часы» таких клеток на время, эквивалентное многим годам жизни человека , - рассказывает главный автор статьи Хэлен Блау (Helen Blau), профессор микробиологии и иммунологии Стэнфордского Университета, директор университетской Лаборатории Биологии Стволовых Клеток им. Бакстер (Baxter Laboratory for Stem Cell Biology), - Это значительно увеличивает число клеток, доступных, например, для тестирования лекарственных препаратов или моделирования заболеваний» .
Для удлинения теломер исследователи использовали модифицированную мРНК (молекулу, передающую информацию от ДНК в рибосомы - клеточные органеллы, синтезирующие белки). Модифицированная РНК содержала кодирующие последовательности белка TERT - активного компонента фермента теломеразы - это позволяло экспрессировать теломеразу, которая удлиняла концы хромосом. Теломераза экспрессируется в активно делящихся клетках, например, стволовых или половых - в том числе и тех, которые дают начало развитию сперматозоидов и яйцеклеток, для обеспечения сохранности клеток в надлежащем состоянии для следующих поколений. Активно делящиеся клетки раковых опухолей также обладают теломеразной активностью. Однако большинство других типов клеток экспрессируют теломеразу на очень низком уровне.
Временный эффект как преимущество
Новый подход имеет значительное преимущество над другими потенциальными методами: его эффект временный. Модифицированная РНК создана таким образом, чтобы подавлять иммунный ответ клеток на ее воздействие, это позволяет мРНК, кодирующей последовательность TERT, оставаться в клетке немного дольше, чем могла бы немодифицированная молекула. Однако эффект пропадает примерно через 48 часов. Только что удлиненные теломеры снова начинают прогрессивно укорачиваться с каждым клеточным делением. То есть, с биологической точки зрения это означает, что обработанные клетки не будут делиться бесконечно, что сделало бы слишком опасным их использование в лечении человека из-за риска развития рака.
Исследователи установили, что всего лишь три введения модифицированной мРНК в течение нескольких дней может значительно увеличить длину теломер в культуре мышечных клеток и клеток кожи человека. Удлинение теломеры на 1000 нуклеотидов соответствует увеличению ее длины более чем на 10%. Клетки, получившие модифицированную мРНК, делились гораздо большее число раз, чем необработанные клетки.
«Нас обрадовал тот факт, что модифицированная мРНК TERT работает, поскольку в клетке TERT строго контролируется и должна связаться с другим компонентом теломеразы , - говорит один из авторов статьи Джон Рамунас (John Ramunas), - Предыдущие попытки доставить в клетку мРНК, кодирующую TERT, вызывали иммунную реакцию против теломеразы, которая могла быть разрушительной. Наша же методика неиммуногенна. Существующие временные методы удлинения теломер действуют медленно, в то время как наш действует всего лишь несколько дней - этого хватает, чтобы обратить укорочение теломер, происходившее более 10 лет в процессе нормального старения. Это говорит о том, что лечение, основанное на нашем методе, может быть быстрым и нечастым» .
Потенциал использования терапии
«Новый подход прокладывает дорогу к предотвращению или лечению возрастных заболеваний. Кроме того, с укорочением теломер связаны некоторые генетически обусловленные отклонения умственного развития, на которые также можно будет воздействовать с помощью предложенного метода» , - говорит Блау.
Блау и ее коллеги заинтересовались теломерами, когда в ходе предыдущей работы в их лаборатории было показано, что стволовые клетки мышечной ткани у мальчиков, страдающих миодистрофией Дюшенна , несут хромосомы, теломеры которых значительно короче, чем у здоровых мальчиков. Это открытие не только помогло объяснить функционирование или нефункционирование клеток в процессе строительства новых мышц, но и объяснить ограниченную способность к росту пораженных клеток в лабораторных условиях.
Теперь исследователи проверяют новую методику на других типах клеток.
«Эта работа является первым шагом в направлении развития метода удлинения теломер для улучшения качества клеточной терапии и, возможно, лечения заболеваний преждевременного старения у человека» , - комментирует Джон Кук (John Cooke), доктор медицины и философии, один из авторов исследования.
«Мы стараемся больше узнать об отличиях разных типов клеток и том, как можно преодолеть эти различия, чтобы более универсально использовать наш подход» , - поясняет Блау.
«Однажды станет возможным добраться и до стволовых клеток мышечной ткани у пациентов с миодистрофией Дюшенна, чтобы, например, удлинить их теломеры. Метод также может найти применение в лечении факторов старения, таких как диабет или болезни сердца» , - рассказывает исследователь.
Клетки кожи с удлиненными в результате новой процедуры теломерами могли делиться до 40 раз дольше обычных. Исследователи указывают на новые пути лечения заболеваний, вызванных укороченными теломерами. (фото: gitanna / Fotolia)
Оригинальная статья:
J. Ramunas, E. Yakubov, J. J. Brady, S. Y. Corbel, C. Holbrook, M. Brandt, J. Stein, J. G. Santiago, J. P. Cooke, H. M. Blau. Transient delivery of modified mRNA encoding TERT rapidly extends telomeres in human cells. The FASEB Journal, 2015; DOI:
Изучение процессов старения организма человека всегда занимало умы ученых. И сегодня многие исследователи пытаются до конца разгадать этот механизм, заключающийся в развитии и постепенном увядании клеток тела человека. Возможно, что ответы на эти вопросы помогут медикам увеличивать продолжительность жизни и улучшать ее качество при различных заболеваниях.
Сейчас существует несколько теорий о старении клетки. В этой статье мы рассмотрим одну из них. Она основана на изучении таких частей хромосом, заключающих в себе около 90 % ДНК клетки, как теломеры.
Что такое «теломеры»?
В каждом ядре клетки находится по 23 пары хромосом, представляющих собой Х-образно закрученные спирали, на концах которых находятся теломеры. Эти звенья хромосомы можно сравнить с наконечниками шнурков для обуви. Они выполняют такие же защитные функции и сохраняют целостность ДНК и генов.
Деление любой клетки всегда сопровождается раздвоением ДНК, т. к. материнская клетка должна передать информацию дочерней. Этот процесс всегда вызывает укорачивание ДНК, но клетка при этом не теряет генетическую информацию, т. к. на концах хромосом расположены теломеры. Именно они во время деления становятся короче, предохраняя клетку от утраты генетической информации.
Клетки делятся многократно и с каждым процессом их размножения теломеры укорачиваются. При наступлении критически маленького размера, который называется «предел Хейфлика», срабатывает запрограммированный механизм смерти клетки – апоптоз. Иногда – при мутациях – в клетке запускается другая реакция - программа, приводящая к бесконечному делению клетки. Впоследствии такие клетки становятся раковыми.
Пока человек молод, клетки его тела активно размножаются, но с уменьшением размеров теломер происходит и старение клетки. Она начинает с трудом выполнять свои функции, и организм начинает стареть. Из этого можно сделать такой вывод: именно длина теломер является самым точным индикатором не хронологического, а биологического возраста организма.
Краткая информация о теломерах:
- они не несут генетической информации;
- в каждой клетке человеческого организма заключено 92 теломеры;
- они обеспечивают стабильность генома;
- они защищают клетки от смерти, старения и мутаций;
- они защищают структуру конечных участков хромосом при делении клетки.
Возможно ли защитить или удлинить теломеры и продлить жизнь?
В 1998 году американские исследователи смогли преодолеть предел Хейфлика. Значение максимального укорочения теломер различно для разных типов клеток и организмов. Предел Хейфлика для большинства клеток человеческого организма составляет 52 деления. Увеличить это значение в процессе экспериментов стало возможным путем активации такого особого фермента, воздействующего на ДНК, как теломераза.
В 2009 году ученые из Стэнфордского университета были удостоены Нобелевской премии за разработку метода стимуляции теломер. Эта методика основана на применении особой молекулы РНК, несущей в себе ген TERT (обратной теломеразной транскриптазы). Она является матрицей для удлинения теломер и распадается после выполнения своей функции. Полученные клетки «омолаживаются» и начинают делиться более интенсивно, чем ранее. При этом их малигнизация, то есть превращение в злокачественные, не наступает.
Благодаря этому открытию стало возможным удлинять концы хромосом более чем на 1000 нуклеотидов (структурных единиц ДНК). Если пересчитать этот показатель на годы жизни человека, то он составит несколько лет. Такой процесс воздействия на теломеры абсолютно безопасен и не вызывает мутаций, приводящих к бесконтрольному делению и малигнизации клеток. Это объясняется тем фактом, что после введения особая молекула РНК быстро распадается и иммунитет не успевает реагировать на нее.
Ученые сделали выводы о том, что теломераза:
- защищает клетки от старения;
- продлевает жизнь клетки;
- предупреждает уменьшение длины теломер;
- создает матрицу для «достраивания» теломер;
- омолаживает клетки, возвращая их к молодому фенотипу.
Пока научные эксперименты, проводящиеся на основе теории ученых из Стэнфордского университета, выполнялись только на лабораторных мышах. В их итоге специалисты смогли затормозить старение кожи животных.
За это открытие работающая в США австралийка Элизабет Блекберн, американка Кэрол Грейдер и ее соотечественник Джек Шостак были удостоены Нобелевской премии. Ученые из Стэнфорда надеются, что созданная ими методика даст возможность в будущем лечить тяжелые заболевания (в том числе и нейродегенеративные), которые провоцируются укорочением теломер.
Питер Лэндсдорп, научный директор Европейского института биологии возраста рассказывает о роли теломер в процессах старения и образования опухолей:
Все люди стареют с разной скоростью. Хронологический возраст определить не сложно - для этого достаточно заглянуть к себе в паспорт.
Возраст биологический определить сложнее. Этот показатель отражает то, насколько рационально мы используем генетическую программу, полученную нами при рождении, а также характеризует «степень износа» органов и систем нашего организма.
Несмотря на то, что первые возрастные изменения мы отмечаем преимущественно по внешним признакам (состояние кожи, волос, фигуры и осанки), процессы старения формируются и развиваются внутри - на клеточном уровне.
Если биологический возраст опережает календарный, то старение развивается преждевременно, возрастает риск заболеваний, связанных с возрастом.
Давайте заглянем в ядро клетки и найдём биологические часы старения.
Внутри ядер находится 23 пары хромосом и на концах каждой хромосомы расположены теломеры. Они защищают нашу ДНК так же, как пластиковые наконечники защищают края шнурков.
Теломеры:
- Не несут генетической информации
- Каждая клетка нашего организма содержит 92 теломеры
- Играют важную роль в процессе деления клетки - обеспечивают стабильность генома
- Защищают хромосомы в процессе репликации от деградации и слияния
- Обеспечивают структурную целостность окончаний хромосом
- Защищают клетки от мутаций, старения и смерти
Пока мы молоды, клетки эффективно делятся.
Каждый раз, когда делится клетка, должны делиться и хромосомы, в результате чего теломеры уменьшаются.
В конечном счёте, теломеры становятся настолько короткими, что больше не могут защищать хромосомы. Клетка стареет и больше не может выполнять свои функции.
Можно ли защитить теломеры и остановить старение?
Многочисленные научные исследования позволили ученым разгадать секрет управления возрастом и дать положительный ответ на этот вопрос.
Теломераза - удивительный фермент, который способен достраивать короткие теломеры. Благодаря теломеразе стареющие клетки нашего организма приобретают способность делиться, подобно молодым, здоровым клеткам.
- создает матрицу, по которой достраиваются критически короткие теломеры
- предотвращает укорочение теломер
- защищает клетки от старения
- продлевает жизнь клетки
- позволяет клетке вернуться к молодому фенотипу, т.е. функционировать по сценарию молодой клетки
- Короткие теломеры связаны с резко выраженными возрастными изменениями в состоянии здоровья
- Длинные теломеры связаны с долголетием.
Чтобы повлиять на биологические часы старения и запустить процесс клеточного омоложения, необходимо активировать, т.е. «включить» теломеразу.
