Рисунок 1. Схематичное изображение хромосом

В середине 1930-х гг. два известных американских ученых, в разные годы получивших Нобелевскую премию, Барбара МакКлинток и Герман Меллер, высказали предположение, что на концах хромосом должны быть определенные участки, необходимые для поддержания их функционирования. Мёллер придумал для этих структур название «Теломеры» от греческих слов «телос» (конец) и «меро» (часть). В свою очередь, Мак-Клинток предположила, что без этих специальных концевых участков хромосомы будут повреждаться, а возникающая хромосомная неустойчивость будет наносить ущерб клеткам.

В начале 1960-х годов профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско Леонард Хейфлик заметил, что в лабораторных условиях человеческие клетки после определенного числа циклов прекращают делиться (около 50-60 делений). Впоследствии ограничение количества делений клетки так и назвали – предел Хейфлика. Он предположил, что этот феномен можно использовать в качестве модели для изучения старения человека на молекулярном и клеточном уровне.

Однако эта мысль на протяжении долгого времени оставалась предметом многочисленных дискуссий. Ведь многие клетки в организме человека могут делить гораздо больше, чем необходимо в течение нормальной жизни. Этот вопрос оставался загадкой еще десятилетие.

Первым ученым, связавшим прекращение клеточного деления, наблюдаемого Хейфликом, с теломерами, был российский ученый Алексей Оловников. В 1970-х годах он предположил, укорочение хромосом, которое происходит во время каждого деления клеток, связано с их концевыми участками – теломерами, которые защищают нижележащие гены от потери информации. Другими словами при делении клетки укорачиваются только теломеры, а участки хромосомы, содержащие генетический код остаются нетронутыми.

Теломеры представляют собой нуклеотидные последовательности (пары оснований) TTAGGG на концах каждой хромосомы. Латинские буквы T, A и G – это обозначения органических соединений, азотистых оснований тимина, аденина и гуанина. На концах хромосом содержится от 1500 до 15000 таких последовательностей ДНК. Каждый раз при делении клетки этих последовательностей становится меньше.

Когда теломеры полностью расходуются, клетка больше не может делиться, хотя и остается жизнеспособной. Это можно представить в виде заточенного карандаша. Корпус – это хромосома, а грифель на заточенном конце – теломера. Каждый раз при черчении карандашом на бумаге грифель становится короче, пока полностью не сотрется. После этого карандаш невозможно использовать по назначению.

Рисунок 2. Грифель карандаша характеризует теломеры. Чем он короче, тем быстрее карандаш перестанет писать.

Первые наблюдения, связывающие теломеры непосредственно со старением, были сделаны в 1986 году, когда ученые заметили, что средняя длина теломер молодых клеток намного длиннее, чем взрослых. Исследования, проведенные в следующие несколько лет, подтвердили уменьшение средней длины теломер при делении клеток. Впервые старение клеток могло быть связано с легко обнаруживаемыми и воспроизводимыми изменениями в геномной ДНК. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что прогрессирующее укорочение теломер – основная причина клеточной деградации.

Так значит, процессы старения все-таки запрограммированы? Ведь, после каждого деления клеток теломеры становятся короче, а организм старее? Не все так однозначно. В первую очередь, концы хромосом у разных типов клеток уменьшаются с разной скоростью. Во-вторых, «бессмертные» свойства эмбриональных стволовых клеток свидетельствуют о том, что длина теломер может сохраняться на одном уровне. Оказывается, в организме существует особый фермент «Теломераза», который способен замедлить укорочение и даже обеспечить увеличение длины теломер. В 2009 году за открытие теломеразы и механизмов предохранения хромосом трем талантливым ученым, Э. Блэкберн, К. Грэйдер и Дж. Шостаку была присуждена Нобелевская премия. Результаты их исследований свидетельствуют о том, что можно повлиять на активность фермента и замедлить, а возможно, и обратить старение вспять. Если вспомнить аналогию с карандашами, то последние научные данные говорят о том, что затупившиеся их концы можно заточить и пользоваться вновь.

Теломеры не механически выполняют команды, выдаваемые генетическим аппаратом. Особенности образа жизни, питания, окружающей среды, уровня повседневного стресса и другие факторы могут ускорить или затормозить процессы клеточного старения.

Если большое число клеток стареет (теряет способности к делению и обновлению), ткани, из которых они состоят, также начинают стареть. В этом и проявляется связь между теломерами и старением. В случае ускоренного старения клеток сосудистых стенок капилляров, артерий и вен, возрастает повышенная вероятность инфаркта и инсульта. Если стареют клетки, отвечающие за иммунитет (антитела), то человек становиться более восприимчивым к инфекционным болезням, гриппу, пневмонии.

В то же время, клетки человека сохраняют способности к делению, пока их теломеры (и иные важные компоненты) остаются функциональными. При укорочении теломер клетки становятся стареющими. Этот предел является одним из основных факторов естественного ухудшения здоровья человека после 60-70 лет. Однако на сегодняшний день люди доживают до столетнего возраста и более. Сейчас во всем мире насчитывается около трехсот тысяч долгожителей и их численность быстро растет. Исходя из этих тенденций, ученые прогнозируют, что более трети детей, родившихся за последние десять лет, будут жить до ста лет. Возникает вопрос, будут ли эти годы здоровыми и полноценными. И здесь опять важная роль принадлежит теломерам.