субота, 25 лютого 2017 р.

Старіння і загибель клітин. Матеріал для учнів 10 класу.

 

http://www.10minschool.ua/rsc/naspath/articles/000747--1241664624.pdf


Теломераза

Теломера
Німецький зоолог Август Вейсман (Friedrich Leopold August Weismann) в 1889 р. у своєму «Нариси про спадковість та споріднення біологічних проблем» («Essays upon Heredity and Kindred Biological Problems») вперше з наукової точки зору спробував пояснити проблему старіння. А. Вейсман вважав старість результатом еволюції: «… нестаріючі організми не тільки не є корисними, але й шкідливі, оскільки займають місце молодих», саме тому, на його думку, еволюція приводить живі організми до старіння.
Ідею старіння як результат еволюції розвінчав англійський біолог Пітер Медавар (Sir Peter Brian Medawar) в 1951 р. у доповіді перед Лондонським королівським товариством «Невирішена проблема в біології» («An Unresolved Problem in Biology»). Він зазначив, що тварини в природі рідко доживають до старості, тому хід еволюції не може впливати на процес старіння.
У 1960 р. Медавар спільно з австралійським вірусологом Френком Макфарлейном Бернетом (Sir Frank Macfarlane Burnet) отримав Нобелівську премію з фізіології та медицини «За відкриття штучної імунної толерантності». Але нічого конкретного щодо причин старіння пояснити не змогли. Мало що прояснила і розшифровка структури ДНК в 1953 р, тільки поставила перед вченими ще більше питань з багатьма невідомими.Теломераза
За розшифровку структури ДНК в 1962 р. британському біологу Френсісу Крику (Francis Crick), американському біологу Джеймсу Вотсону (James Dewey Watson) і британо-новозеландському вченому Морісу Вілкінсу (Maurice Hugh Frederick Wilkins) була присуджена Нобелівська премія з фізіології та медицини.
У ті роки вчені схилялися до думки, що людська клітина, здатна до проліферації в організмі, може нескінченно довго відтворюватися в культурі. Якби це було насправді, то це б означало, що люди старіють і вмирають не відповідно до програми клітинної деградації, а в силу позаклітинних процесів, що відбуваються на більш високому фізіологічному рівні (Квітко О.В., Конєва І.І. та співавт., 2000).
Лише сорок років по тому вчені стали підходити до більш-менш загальних поглядів щодо теорії старіння. В 1961 р американський вчений Леонард Хейфлик (Leonard Hayflick), професор анатомії Каліфорнійського університету (University of California) в Сан-Франциско, виявив, що навіть в ідеальних умовах клітина здатна ділитися лише обмежену кількість разів, при наближенні до кінця ліміту проявляються ознаки старіння (Hayflick L., Moorhead PS, 1961).
Ліміт поділок встановлено практично для клітин всіх багатоклітинних організмів. Максимальне число ділень залежить від типу клітини і від організму. Було з’ясовано, що для більшості людських клітин ця межа становить 52 ділення. Виявили, що зі збільшенням віку донора, число поділок значно зменшується.
Тобто, в організмі будь-якої живої істоти знаходиться щось на кшталт «біологічного годинника», лічильника поділів, який встановлює ліміт на загальну кількість поділів клітин … (Hayflick L., 1998) Цю межу названо лімітом Хейфліка.
Як працює цей «лічильник»? В 1971 р. радянський вчений Олексій Оловников на підставі даних про принципи синтезу ДНК в клітинах запропонував теорію маргінотоміі (the theory of marginotomy), яка пояснювала механізм роботи такого «лічильника». На думку Оловникова, при матричному синтезі полінуклеотидів ДНК-полімераза не в змозі повністю відтворити лінійну матрицю, репліка виходить завжди коротше її початкової частини.Теломераза
Таким чином, при кожному діленні клітини ДНК коротшає, що обмежує проліферативний потенціал клітин і, очевидно, є тим «лічильником» кількості ділень клітини (Оловников AM, 1971). В кінці 1980–х серією відкриттів вченими Елізабет Блекберн (Elizabeth H. Blackburn), Джеком Шостаком (Jack W. Szostak) і Керолом Грейдером (Carol W. Greider) була підтверджена гіпотеза Оловникова. Саме цих троє вчених в 2009 р. удостоєно Нобелівської премії в області фізіології або медицини. Їм вдалося з’ясувати механізм, в якому хромосоми під час поділу клітини копіюються повністю, і якимсь чином хромосоми захищені від деградації.
Вирішення знайдено на кінцях хромосом – це теломери (від грец. Telos – кінець і meros – частина, назву запропонував Герман Джозеф Меллер в 1932 г.), а також фермент, який формує теломери, теломераза. Довгі спіралі молекул ДНК, що несуть генну інформацію, «упаковані» в хромосоми, на кінцях яких знаходяться теломери – «захисні ковпачки».

Теломераза
Функції і синтез теломери
Е. Блекберн і Дж. Шостак виявили, що унікальна послідовність ДНК, що міститься в хромосомах, захищена від деградації за допомогою цих самих теломерів. К. Грейдер і Е. Блекберн також винайшли теломеразу, яка добудовує теломеру на кінцях хромосоми, які коротшають під час чергового ділення.

Теломераза
Довжина теломер
Було встановлено, чим коротше теломера, тим старіше клітина, і навпаки, якщо активність теломерази висока, то постійно підтримується однакова довжина теломери – клітина не старішає, але існує небезпека розвитку ракових клітин, які також прагнуть безсмертя. Певні спадкові захворювання характеризуються наявністю дефектних теломераз, що призводить до швидкого старіння клітини. Таємнича теломера хромосоми містить геном, носієм якого є молекула ДНК.
Ще в 1930-і роки американський генетик Герман Джозеф Меллер (Hermann Joseph Muller, лауреат Нобелівської премії в області фізіології та медицини в 1946 році за відкриття «Поява мутацій під впливом рентгенівського опромінення»), потім Барбара МакКлінток (Barbara McClintock, лауреат Нобелівської премії в галузі фізіології та медицини 1983 р. за відкриття «генетичної транспозиції») помітили, що структури на кінцях хромосом – теломери, перешкоджають, щоб хромосоми зчіплювалися між собою. Припустили, що теломери виконують захисну роль, але технологія їх  праці залишалася загадкою.
В середині ХХ ст. вчені зрозуміли, як відбувається копіювання генів. Але виникла інша проблема: під час поділу клітини відбувається «розшивання» спіралі ДНК на два ланцюжки і її копіювання ферментом ДНК-полімеразою.

Теломераза
Синтез теломер
Кінець одного з двох ланцюжків ДНК не може бути скопійований ДНК-полімеразою, оскільки на його кінці АР-сайт (апурін-апірімідіновий сайт, який виникає з розщепленням N-глікозидного зв’язку дезоксинуклеотидів ДНК. AP-сайти ефективно блокують дію ДНК-полімерази через неможливість утворювати канонічні пари основ. Багато ДНК-полімерази при досягненні AP-сайтів ДНК-матриці зупиняються, після чого диссоціюють). Логічно припустити, що внаслідок цього довжина хромосоми повинна зменшуватися щоразу, коли клітина ділиться. На ділі цього не відбувається. Нобелівські лауреати встановили яким чином функціонує теломера і виявили фермент теломеразу, яка її копіює.
На початку своєї кар’єри Е. Блекберн картирувала послідовності ДНК, вивчаючи хромосоми прісноводної війчастої інфузорії роду Tetrahymena, деякі види якої часто використовують як модельні організми в біологічних і медичних дослідженнях. Вчена виявила в хромосомі інфузорії повторювані послідовності ДНК, які можна записати у вигляді CCCCAA. Функція цієї послідовності була неясна.
Вчений Дж. Шостак зробив спостереження, згідно з яким лінійна молекула ДНК, на зразок міні хромосоми, введена в клітину дріжджів швидко деградувала.
Обидва вчених зустрілися на конференції в 1980-х, де Е. Блекберн представляла результати своєї роботи. Обидва дослідники прийняли рішення виконати загальний експеримент, в якому б долалися бар’єри між такими далекими організмами, як інфузорії і дріжджі. Отже, від ДНК інфузорії тетрахімени Е. Блекберн ізолювала послідовність CCCCAA, а Дж. Шостак приєднав цю послідовність до міні-хромосоми, яку помістив в клітину дріжджів (див. рисунок).

Теломераза
Функції теломер
Результати, опубліковані в 1982 р, виявилися вражаючими – послідовність CCCCAA ДНК теломери захищала міні-хромосоми від деградації. Оскільки ДНК теломери від одного організму (інфузорії тетрахімени) захищали хромосоми зовсім іншого організму (дріжджів), цей досвід продемонстрував існування раніше невідомого фундаментального механізму. Пізніше стало очевидно, що ДНК теломери з характерною для неї послідовністю є у більшості рослин і тварин – від амеби до людини.
Фермент, що будує теломери
Після виявлення теломер необхідно було встановити механізм, при якому теломери будуються на кінцях хромосоми. К. Грейдер, що працювала під керівництвом Е. Блекберн, проводила дослідження з метою з’ясувати невідомий фермент, який бере участь в формуванні ДНК теломерів. На Різдво 1984 р. К. Грейдер виявила ознаки ферментативної активності в клітинному екстракті.
Теломераза
Виявлений ензим Е. Блекберн і К. Грейдер назвали теломеразою. Після його виділення та очищення вчені встановили, що він складається не тільки з протеіна, але і з РНК, яка містить ту ж послідовність CCCCAA, що і теломера. Таким чином, РНК служить шаблоном для побудови теломери, білковий компонент теломерази необхідний безпосередньо для ферментативної діяльності. Теломераза подовжує ДНК теломери, забезпечуючи платформу, яка в свою чергу дозволяє ДНК-полімеразам скопіювати хромосому по всій довжині, без втрати генетичної інформації. Таким чином, хромосома при копіюванні не вкорочуватиметься.
Теломера проти старіння клітини
Тепер вчені почали досліджувати, яку роль теломера грає в клітині. Дж. Шостак із співробітниками виявив, що в клітинах дріжджів, що мають мутації, теломера поступово коротшає; такі клітини дуже погано ростуть, а потім і зовсім припиняють ділитися. Е. Блекберн зі співробітниками подібну картину спостерігали в інфузорії тетрахімене, якщо РНК теломерази була піддана мутації. В обох випадках це призводило до передчасного клітинного старіння. Навпаки, нормально функціонуючі теломери запобігали вкороченню хромосом і затримували клітинне старіння.
Пізніше К. Грейдер із співробітниками встановила, що подібний механізм працює і в клітинах людини, де вкороченню хромосом заважала теломераза. Завдяки проведенню інтенсивних досліджень у цій області тепер відомо, що послідовність ДНК в теломері притягує білки, які формують захисний «ковпачок» навколо тендітних кінчиків ДНК.
Укорочення теломери може бути причиною не тільки клітинного старіння, а й старіння всього організму в цілому. Водночас більшість клітин не ділиться настільки часто, тому їх хромосоми піддаються ризику укорочення в процесі мітозу, і вони не вимагають високої активності теломерази. Навпаки, ракові клітини мають здатність ділитися нескінченно і вміють зберігати необхідну довжину теломери за рахунок високої активності ферменту теломерази. Тому розробляються методи лікування онкологічних та інших захворювань на основі інгібування активності теломерази (від лат. inhibere — затримувати, сповільнювати чи зупиняти). Однак теломеру, як з’ясувалося, можна розглядати не тільки в медико-біологічному аспекті, але і в соціально-економічному, а також з точки зору якості життя.
Е. Блекберн з колегами з Каліфорнійського університету Сан-Франциско (University of California, San Francisco) в ході пілотного дослідження виявили, що матері, які доглядають за своїми тяжкохворими дітьми, мали більш короткі теломери в фазі найвищої точки емоційного стресу (today.ucsf.edu; Njajou OT, Cawthon RM, Damcott CM, 2007). Інше дослідження, опубліковане в 2006 р. в журналі «Aging Cell», яке проводив доктор Тім Спектор (Dr Tim Spector) з колегами з лондонського госпіталю «St Thomas’s Hospital» та медичного інституту НьюДжерсі (New Jersey Medical School), показало, що люди із малорозвинених країн мають коротші теломери, ніж ті, хто живе в розвинених (www.reuters.com; news.bbc.co.uk; Cherkas LF, Aviv A., Valdes AM, 2006).
На сьогодні проходить декілька клінічних випробувань, в яких оцінюється ефективність лікарських засобів, механізм дії яких спрямований на активність ферменту теломерази. Американська компанія «Geron Corporation» проводить за участю людини чотири клінічні випробування по дослідженню препаратів, які мають інгібуючі властивості відносно теломерази, а також можливість імунізації людини вакциною, яка б сприяла виробленню антитіл до клітин з гіперактивною теломеразою.
Американська компанія «Merck & Co» отримала від «Geron» ліцензування права на схвалення заявки на досліджуваний лікарський засіб Investigation New Drug (IND) для ще однієї схожої вакцини. Платформа для створення подібних вакцин проходить тестування в даний час спільно з «Merck & Co.» за трьома направленнями: 1)розглядається вакцина на основі аденовірусу плазміда;
2) спроба створення вакцини на основі аутогенних дендритних клітин (autologous dendritic cell based vaccine) під назвою GRNVAC1 (раніше – TVAX), яка в I фазі клінічних досліджень при раку простати продемонструвала значне посилення Т-клітинної відповіді (geron.com);
3) створення вакцини на основі ембріональних стовбурових клітин дериватів дендритів, розробленої компанією «Geron».

Теломераза
Характеристика теломери
Ці методи вакцинації спрямовані на те, щоб імунна система людини сама навчилася атакувати ракові клітини, які експресують теломеразу. Наступний підхід у розробці лікарських засобів – створення інгібіторів теломерази. Дія препарату GRN163L, розробленого компанією «Geron», спрямована на те, щоб зупинити поширення ракової пухлини шляхом зв’язування теломерази.
Незважаючи на те, що in vitro дійсно вдавалося домогтися загибелі популяції ракових клітин, тим не менш існує ALT-механізм (від англ. Alternative Lengthening of Telomeres – альтернативне подовження теломер), що ускладнює ефективність такої терапії (Bryan TM, Englezou A., Gupta J., 1995; Henson JD, Neumann AA, Yeager TR, 2002). Але «Geron» заявляє, що препарат із групи інгібіторів теломерази GRN163L показав високу ефективність, викликаючи загибель ракових стовбурових клітин. Він безпосередньо зв’язується з РНК-матрицею теломерази, тим самим блокуючи подальший синтез теломери. При цьому вчені кажуть, що навіть мутація РНК-матриці теломерази не в змозі повернути їй активність.

Теломера - показник старіння
Теломера
Такий підхід, спрямований саме на інгібування РНК-матриці ензиму. На думку Е. Блекберн, це є багатообіцяючий лікарський засіб майбутнього не тільки для лікування ракових пухлин, інгібітори теломерази можуть допомогти подолати деякі спадкові хвороби, які, як стало відомо, виникають через дефективну теломеразу, включаючи визначені форми вродженої апластичної анемії, захворювання, при якому пригноблене або повністю відсутнє зростання і дозрівання всіх трьох клітинних ліній в кістковому мозку.
Деякі спадкові дерматологічні і легеневі захворювання також спровоковані дефектом теломерази. Але проявлений інтерес  до інгібіторів і до активності теломерази все ж залишає надію, що вчені  спробують впливати на тривалість життя людини або хоча б на швидкість старіння (www.sierrasci.com).
Проведене в 2009 р. дослідження активності теломерази у євреїв ашкеназі показало, що довгожителі мають гіперактивну теломеразу (www.livescience.com). Так, починаючи з 2001 р., було виявлено декілька з’єднань, які активували вироблення цього ферменту. Першою була каліфорнійська компанія «Geron», яка виявила речовину TA-65, яку вчені цієї компанії виділили з рослини Астрагал подібний (Astragalus propinquus).
Ця речовина показала свою ефективність відносно активізування теломерази. У квітні 2007 р. «Geron» передала права на дослідження нью-йоркській компанії «Telomerase Activation Sciences Inc. – TA Sciences »(www.tasciences.com; www.lef.org).В листопаді 2007 р. американська компанія «Sierra Sciences LLC.» також заявила, що вони винайшли речовину C0057684, яка сприяє активності теломерази в соматичній клітині; в 2009 р. ця ж компанія об’явила про відкриття ще 62 з’єднань з подібними властивостями (Tanglao, Shawna, et al., 2008; www.sierrasci.com).
Відкриття Е. Блекберн, К. Грейдера і Дж. Шостака сприяли формуванню розуміння нових аспектів ділення клітини, дослідили механізми розвитку захворювань, стимулювали до розробки потенційно нових терапевтичних методів, о ймовірному практичному застосуванні яких напишуть ще не раз.

Немає коментарів:

Дописати коментар