Являются ли теломеры ключом к старению и раку

Внутри ядра клетки наши гены расположены вдоль скрученных двухцепочечных молекул ДНК, называемых хромосомами. На концах хромосом находятся участки ДНК, называемые теломерами, которые защищают наши генетические данные, позволяют клеткам делиться и хранят некоторые секреты того, как мы стареем и заболеваем раком.
Теломеры сравнивают с пластиковыми кончиками шнурков, потому что они не дают концам хромосом изнашиваться и прилипать друг к другу, что могло бы разрушить или перепутать генетическую информацию организма.
Тем не менее, каждый раз, когда клетка делится, теломеры становятся короче. Когда они становятся слишком короткими, клетка больше не может делиться; он становится неактивным или «стареющим» или умирает. Этот процесс укорочения связан со старением, раком и повышенным риском смерти. Поэтому теломеры также сравнивают с запалом бомбы.

Окрашенные флуоресценцией хромосомы (красные) на предметном стекле микроскопа. Теломеры (желтые) расположены на концах каждой хромосомы. Фото предоставлено доктором Робертом Мойзисом, Калифорнийский университет в Ирвине, Программа генома человека США.

Что такое теломеры?

Как и остальная часть хромосомы, включая ее гены, теломеры представляют собой последовательности ДНК — цепочки химического кода. Как и все ДНК, они состоят из четырех оснований нуклеиновых кислот: G для гуанина, A для аденина, T для тимина и C для цитозина.
Теломеры состоят из повторяющихся последовательностей TTAGGG на одной цепи и AATCCC на другой цепи. Таким образом, один участок теломер представляет собой «повтор», состоящий из шести «пар оснований».
В лейкоцитах длина теломер колеблется от 8000 пар оснований у новорожденных до 3000 пар оснований у взрослых и до 1500 пар оснований у пожилых людей. (Во всей хромосоме около 150 миллионов пар оснований.) Каждый раз, когда она делится, средняя клетка теряет от 30 до 200 пар оснований на концах своих теломер.
В норме клетки могут делиться только от 50 до 70 раз, при этом теломеры становятся все короче, пока клетки не стареют или не умирают.
Теломеры не укорачиваются в тканях, клетки которых не делятся постоянно, например в сердечной мышце.

Почему хромосомы имеют теломеры?

Без теломер основная часть хромосомы — часть с генами, необходимыми для жизни, — укорачивалась бы каждый раз, когда клетка делится. Таким образом, теломеры позволяют клеткам делиться без потери генов. Деление клеток необходимо для роста новых клеток кожи, крови, костей и других клеток.
Без теломер концы хромосом могли бы слиться воедино и повредить генетическую схему клетки, что могло бы привести к сбоям в работе, раку или гибели клеток. Поскольку разорванная ДНК опасна, клетка способна ощущать и исправлять повреждения хромосом. Без теломер концы хромосом выглядели бы как разорванная ДНК, и клетка пыталась бы исправить то, что не было разорвано. Это также заставит их перестать делиться и в конечном итоге умереть.

Читайте также:  Эволюция хлопка

Почему теломеры укорачиваются при каждом делении клетки?

Прежде чем клетка сможет делиться, она делает копии своих хромосом, так что обе новые клетки будут иметь идентичный генетический материал. Чтобы быть скопированными, две нити ДНК хромосомы должны раскрутиться и разделиться. Затем фермент (ДНК-полимераза) считывает существующие нити, чтобы построить две новые нити. Он начинает процесс с помощью коротких фрагментов РНК. Когда каждая новая совпадающая цепочка завершена, она становится немного короче исходной нити из-за того, что в конце нужно место для этого небольшого фрагмента РНК. Это похоже на человека, который загоняет себя в угол и не может закрасить угол.

Теломераза противодействует укорочению теломер

Фермент теломераза присоединяет основания к концам теломер. В молодых клетках теломераза удерживает теломеры от чрезмерного износа. Но поскольку клетки постоянно делятся, теломеразы не хватает, поэтому теломеры становятся короче, а клетки стареют.
Теломераза остается активной в сперматозоидах и яйцеклетках, которые передаются от одного поколения к другому. Если бы репродуктивные клетки не имели теломеразы для поддержания длины своих теломер, любой организм с такими клетками вскоре вымер бы.

Структура каталитической субъединицы теломеразы TERT. Из банка данных о белках (запись 3DU5 в PDB).

Теломеры и рак

Когда клетка начинает становиться раковой, она чаще делится, и ее теломеры становятся очень короткими. Если ее теломеры станут слишком короткими, клетка может погибнуть. Часто эти клетки избегают смерти, вырабатывая больше фермента теломеразы, который предотвращает укорочение теломер.
Многие виды рака имеют укороченные теломеры, включая рак поджелудочной железы, костей, предстательной железы, мочевого пузыря, легких, почек, головы и шеи.
Измерение теломеразы может быть способом обнаружения рака. И если ученые смогут узнать, как остановить теломеразу, они смогут бороться с раком, заставляя раковые клетки стареть и умирать. В одном эксперименте исследователи заблокировали активность теломеразы в клетках рака молочной железы и предстательной железы человека, растущих в лаборатории, что привело к гибели опухолевых клеток. Но есть риски. Блокирование теломеразы может ухудшить фертильность, заживление ран и производство клеток крови и клеток иммунной системы.

Теломеры и старение

Генетик Ричард Коутон и его коллеги из Университета штата Юта обнаружили, что более короткие теломеры связаны с более короткой жизнью. Среди людей старше 60 лет те, у кого более короткие теломеры, в три раза чаще умирают от сердечных заболеваний и в восемь раз чаще умирают от инфекционных заболеваний.
Хотя укорочение теломер связывают с процессом старения, пока неизвестно, являются ли более короткие теломеры просто признаком старения, как седые волосы, или же они действительно способствуют старению.
Если теломераза делает раковые клетки бессмертными, может ли она предотвратить старение нормальных клеток? Можем ли мы увеличить продолжительность жизни, сохраняя или восстанавливая длину теломер с помощью теломеразы? Если да, увеличит ли это риск заболеть раком?
Ученые пока не уверены. Но они смогли использовать теломеразу в лаборатории, чтобы человеческие клетки делились далеко за пределы своего нормального предела, и клетки не становились раковыми.
Если бы мы использовали теломеразу для «увековечивания» человеческих клеток, мы могли бы массово производить клетки для трансплантации, в том числе клетки, продуцирующие инсулин, для лечения диабета, мышечные клетки для лечения мышечной дистрофии, хрящевые клетки для некоторых видов артрита и клетки кожи для лечения диабета. заживление сильных ожогов и ран. Неограниченный запас нормальных человеческих клеток, выращенных в лаборатории, также поможет усилиям по тестированию новых лекарств и генной терапии.

Читайте также:  PTC Генетика горького вкуса

Насколько велика роль теломер в старении?

У некоторых долгоживущих видов, таких как люди, теломеры намного короче, чем у таких видов, как мыши, которые живут всего несколько лет. Никто не знает почему. Но это свидетельствует о том, что сами по себе теломеры не определяют продолжительность жизни.
Исследование Коутона показало, что, когда людей делят на две группы в зависимости от длины теломер, половина с более длинными теломерами живет в среднем на пять лет дольше, чем люди с более короткими теломерами. Это исследование предполагает, что продолжительность жизни можно увеличить на пять лет, увеличив длину теломер у людей с более короткими теломерами.
Люди с более длинными теломерами по-прежнему испытывают укорачивание теломер с возрастом. Сколько лет можно добавить к нашей жизни, полностью остановив укорачивание теломер? Cawthon считает 10 лет и, возможно, 30 лет.
После 60 лет риск смерти удваивается каждые 8 ​​лет. Таким образом, у 68-летнего человека в два раза больше шансов умереть в течение года по сравнению с 60-летним. Исследование Коутона показало, что разница в длине теломер составляет всего 4% от этой разницы. И хотя интуиция подсказывает нам, что пожилые люди имеют более высокий риск смерти, только 6% обусловлены чисто хронологическим возрастом. Если сложить длину теломер, хронологический возраст и пол (женщины живут дольше мужчин), то эти факторы объясняют 37 % вариации риска смерти старше 60 лет. Что же является причиной остальных 63 %?
Основной причиной старения является «окислительный стресс». Это повреждение ДНК, белков и липидов (жиров), вызванное окислителями, которые представляют собой высокореактивные вещества, содержащие кислород. Эти окислители обычно вырабатываются, когда мы дышим, а также возникают в результате воспалений, инфекций и употребления алкоголя и сигарет. В одном исследовании ученые подвергли червей воздействию двух веществ, нейтрализующих окислители, и продолжительность жизни червей увеличилась в среднем на 44%.
Еще одним фактором старения является «гликирование». Это происходит, когда глюкоза, основной сахар, который мы используем в качестве энергии, связывается с некоторыми из наших ДНК, белков и липидов, лишая их возможности выполнять свою работу. Проблема усугубляется по мере того, как мы становимся старше, что приводит к нарушению работы тканей организма, что приводит к болезни и смерти. Гликация может объяснить, почему исследования на лабораторных животных показывают, что ограничение потребления калорий увеличивает продолжительность жизни.
Скорее всего, окислительный стресс, гликирование, укорочение теломер и хронологический возраст — наряду с различными генами — все вместе вызывают старение.

Читайте также:  Технологии визуализации мозга

Теломеры и другие болезни

У людей с врожденным дискератозом теломеры укорачиваются гораздо быстрее, чем обычно. Эти люди переносят преждевременное старение и смерть. Они сталкиваются с более высоким риском опасных для жизни инфекций, лейкемии и других видов рака крови, кишечных расстройств, цирроза печени и легочного фиброза, смертельного уплотнения легочной ткани. Они также чаще страдают от седых волос, облысения, плохого заживления ран, пятен на коже, кишечных расстройств, размягчения костей и неспособности к обучению. Подразумевается, что теломеры могут играть роль во всех этих состояниях, потому что все они связаны с тканями, в которых клетки часто делятся. Также есть некоторые доказательства связи укороченных теломер с болезнью Альцгеймера, уплотнением артерий, высоким кровяным давлением и диабетом 2 типа.

Каковы перспективы человеческого бессмертия?

Продолжительность жизни человека значительно увеличилась с 1600-х годов, когда средняя продолжительность жизни составляла 30 лет. К 2012 году средняя продолжительность жизни в США составляла почти 79 лет. Причины увеличения включают канализацию и другие меры санитарии, антибиотики, чистую воду, охлаждение, вакцины и другие медицинские меры по предотвращению смерти детей и младенцев, улучшение питания и улучшение здравоохранения. .
Некоторые ученые предсказывают, что средняя продолжительность жизни будет продолжать расти, хотя многие сомневаются, что она когда-либо превысит 90 лет. Но некоторые говорят, что возможна гораздо более длительная продолжительность жизни.
Коутон говорит, что если бы все процессы старения могли быть устранены и повреждения, вызванные окислительным стрессом, можно было бы восстановить, «по одной оценке, люди могли бы жить 1000 лет».

Оцените статью
Генетика - сайт о науке
Добавить комментарий