Теломеры: защитники наших хромосом
Те рентгеновские снимки, еще даже не успев высохнуть, наглядно продемонстрировали, что теломеры состоят из повторяющихся отрезков ДНК. Наша с вами ДНК представляет собой две параллельные скрученные нити, построенные всего из четырех структурных элементов (нуклеотидов), которые принято обозначать латинскими буквами A, T, C и G (A – А (аденин), G – Г (гуанин), C – Ц (цитозин), T – Т (тимин)). Помните, как во время школьных экскурсий класс разбивали на пары учеников, которые должны были держаться за руки? Так вот, нуклеотиды подчиняются тому же принципу. А всегда идет в паре с T, а C – всегда с G. Нуклеотиды из одной нити ДНК объединяются со своими партнерами из второй нити. Так образуются пары оснований – именно в них измеряется длина теломер.
Рис. 8. Нити теломер вблизи.
В теломерах человека (как обнаружится впоследствии) первая нить состоит из повторяющихся последовательностей TTAGGG, напротив которых, на второй нити, расположены последовательности AATCCC. Обе нити закручены спиралью (типичная для ДНК форма).
Эти пары оснований, повторяющиеся тысячи раз, позволяют измерить длину теломер (обратите внимание: на некоторых иллюстрациях, приведенных в книге, длина теломер указана в других единицах). Повторяющиеся последовательности подчеркивают разницу между теломерами и остальной ДНК. Гены, также состоящие из ДНК, находятся внутри хромосом (в каждой нашей клетке содержится 23 пары хромосом, итого – 46). В ДНК генов зашифрован шаблон, по которому формируется наш организм, – подробная инструкция по его созданию. Из парных букв образуются сложные «предложения», содержащие инструкции по производству белков, из которых состоит наше тело. ДНК генов определяет, насколько быстро бьется ваше сердце, голубые у вас глаза или карие, достаточно ли ваши ноги и руки длинны, чтобы победить в марафоне. ДНК теломер совсем другая. Прежде всего она расположена не внутри генов, а снаружи – на самом конце хромосомы, содержащей гены. В отличие от ДНК генов в ней не закодированы никакие инструкции. ДНК теломер скорее играет роль амортизатора, защищающего хромосомы в процессе деления клеток. Теломеры принимают на себя все внешние удары.
Такая защита чрезвычайно важна. В процессе деления и обновления клеток драгоценное содержимое их хромосом (то есть генетические инструкции) должно оставаться неуязвимым. Иначе откуда организм ребенка узнает, что он должен вырасти высоким и сильным? Как иначе ваши клетки смогут наделить вас чертами, которые делают вас уникальным и не похожим на других? А ведь в момент деления клетки ее хромосомы – вместе с находящимся внутри них генетическим материалом – особенно уязвимы. Без дополнительной защиты хромосомы с ценным грузом могут запросто пострадать: распасться, слиться друг с другом или мутировать. Когда генетический материал клетки перемешивается подобным образом, последствия могут оказаться поистине разрушительными. Из-за мутации клетки способны утратить свои функции, погибнуть или переродиться в раковые клетки, которые начнут стремительно размножаться. В таком случае вы вряд ли долго протянете.
Теломеры, которые запечатывают концы хромосом, не позволяют произойти всем этим немыслимым событиям. Именно это мы и узнали об особых повторяющихся последовательностях ДНК, из которых состоят теломеры. Вместе с Джеком Шостаком я (Элизабет) открыла эту важнейшую функцию в начале 1980-х годов: мне удалось изолировать последовательности ДНК теломер тетрахимены, которые Джек затем поместил в клетку дрожжевого грибка. Теломеры тетрахимены принялись защищать хромосомы дрожжевого грибка в процессе деления клеток, жертвуя ради этого своими парами оснований.
При каждом делении клетки ее «кодирующая ДНК» (из которой и состоят гены) в точности копируется, оставаясь неизменной. К сожалению, с каждым делением теломеры на концах хромосом теряют пары оснований. Таким образом, с годами, по мере все новых и новых делений клетки, они становятся короче. Вместе с тем процесс их сокращения не является линейным. Взгляните на график, приведенный далее.
В рамках программы изучения генов, среды обитания и здоровья, разработанной медицинским центром «Кайзер Перманент», проводилось интересное исследование, в ходе которого у 100 000 добровольцев взяли образцы слюны, чтобы измерить длину теломер. Было установлено, что теломеры в среднем становятся все короче и короче начиная с 20-летнего возраста и достигают минимальной длины к 75 годам {1}. После этого они удивительным образом остаются неизменными или даже удлиняются. Данный феномен, вероятно, не свидетельствует об истинном удлинении теломер – просто люди с более короткими теломерами, скорее всего, к этому возрасту умирают (это явление известно как систематическая ошибка выживших: в любом исследовании, посвященном процессу старения, самые старые люди оказываются наиболее здоровыми). Именно людям с самыми длинными теломерами удается дожить до 90, а то и до 100 лет.
Рис. 9. Теломеры с возрастом укорачиваются.
