Укорачивание теломер. Теломеры продлят молодость, отсрочив старение

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:

Учёные веками пытаются понять, от чего зависит продолжительность жизни человека, и как можно её увеличить. Генетики , медики изучают способы , а недавно учёные даже выявили необычное влияние Солнца на . Тем не менее, единственным неоспоримым фактом в биогеронтологии является зависимость процессов старения организма от состояния теломер — концевых участков хромосом. Чем последние крупнее, тем дольше и лучше будет жить человек.

Прежде учёные уже демонстрировали, что здоровый образ жизни и, следовательно, продлить жизнь пациента. Однако теперь команда из Стэнфордского университета показала, как можно использовать медицинское вмешательство извне для непосредственного увеличения концевых участков хромосом.

Исследователи провели эксперимент, в ходе которого культивировали человеческие клетки и увеличили их теломеры. В результате основная группа клеток дольше вела себя как молодая, размножаясь внутри чашки Петри, тогда как контрольная группа, на которой не испытывали новую методику, быстро начала стареть и увядать.

Новая технология включает в себя использование модифицированной РНК и позволяет культивировать большее количество клеток для проведения экспериментов по испытанию лекарственных препаратов. Клетки кожи с удлинёнными теломерами учёные смогли поделить (на две новые клетки) в 40 раз больше, чем обычные клетки, не подвергавшиеся терапии. В случае с мышечными клетками культура увеличилась втрое по сравнению с контрольной группой.

В рамках предыдущих исследований учёные установили, что теломеры у молодых людей имеют длину, эквивалентную 8-10 тысячам нуклеотидов. По мере взросления и старения эти "колпачки" сокращаются и в какой-то момент достигают критической длины — именно тогда клетка прекращает делиться и отмирает.

"Мы нашли новый способ, который позволяет удлинить человеческие теломеры на целую тысячу нуклеотидов, а значит, фактически, повернуть время вспять. Наша разработка важна не только для исследований в области биогеронтологии, но и для биологов по всему миру, которые работают с клеточными культурами, поскольку данная методика позволяет значительно увеличить продолжительность жизни культивируемых клеток", — говорит ведущий автор исследования Хелен Блау (Helen Blau), профессор микробиологии и иммунологии в Стэнфорде.

Модифицированная РНК, которая является основным инструментом новой технологии, переносит инструкции из генов ДНК в "белковые фабрики" клеток. РНК, использованная в стэнфордском эксперименте, содержала последовательность, кодирующую каталитическую субъединицу TERT , активный компонент природного фермента теломеразы (не путать с теломерами!).

Теломераза создаётся в стволовых клетках, в том числе и тех, что отвечают за развитие сперматозоидов и яйцеклеток. Этот процесс даёт биологические гарантии того, что следующее поколение будет обеспечено здоровыми клетками с максимально длинными теломерами. Большинство других типов клеток, однако, экспрессируют гораздо меньшее количество чудодейственного фермента теломеразы.

Разработанная стэнфордскими учёными технология имеет важное преимущество перед другими потенциальными методами — методика имеет временный эффект. На первый взгляд, кажется, что это не плюс, а минус. Но дело в том, что неконтролируемое деление клеток в теле человека связано с огромным риском быстрого развития рака. Блау и её коллеги отмечают в пресс-релизе , что постепенное и поэтапное удлинение теломер гораздо безопаснее любых других аналогов.

Мышцы пациента с дистрофией Дюшенна, которую потенциально можно излечить при помощи новой методики

Модифицированная РНК в данном случае предназначена для снижения иммунного ответа клетки на лечение и позволяет TERT-кодирующему сигналу длиться дольше, чем обычно. Однако сама РНК исчезает уже через 48 часов, по истечении которых удлинённые теломеры вновь начинают постепенно сокращаться с каждым новым этапом деления клетки.

"У нашей методики есть ещё одно важное преимущество. Проведённый нами эксперимент стал первым случаем в истории биомедицины, когда введение модифицированной РНК не привело к иммунному ответу против теломеразы. Таким образом, в отличие от других технологий наша является неиммуногенной. Без дополнительных рисков мы научились оборачивать вспять процессы старения, которые протекают на протяжении более чем десяти лет в здоровом организме", — рассказывает Блау, чья вышла в издании FASEB Journal.

Учёные также сообщают, что новая методика может лечь в основу не только технологий продления жизни здоровых людей, но и терапий, предназначенных для лечения многих генетических заболеваний.

К примеру, Блау заметила, что длина теломер у пациентов с мышечной дистрофией Дюшенна заметно меньше, чем у представителей контрольной группы. Таким образом, учёные с помощью своей методики смогут с длинными теломерами, которые помогут излечить тяжёлый недуг.

Старение — это неотъемлемый процесс нашей жизни. Понимание того, почему мы стареем или что вызывает старение, является загадкой, которую ученые все еще пытаются решить. По данному вопросу существует множество теорий:

Окислительный стресс повреждает ДНК
Виновата глюкоза
Наши клетки следуют заранее запрограммированному биологическому расписанию независимо от каких-либо других факторов.

Скорее всего, это сочетание всех этих факторов, а также некоторых других причин, которые мы еще не обнаружили.

Роль теломер в старении

Одна теория предполагает, что процесс старения хотя бы частично связан с нашими теломерами. Теломеры — это маленькие защитные колпачки на концах молекул ДНК. Их работа заключается в том, чтобы не допустить износа концов хромосом или прилипания друг к другу, подобно пластиковым наконечникам на концах шнурков.

Теломеры также играют важную роль в обеспечении правильного копирования нашей ДНК при делении клеток, но благодаря причуде механизма репликации ДНК, несколько нуклеотидов (строительные блоки ДНК) на самом конце цепи не передаются в новую копию ДНК, что приводит к потере некоторой генетической информации; это как если бы вы ксерокопировали один и тот же документ, каждый раз отрезая последнюю строчку текста на странице. Таким образом, нити ДНК становятся короче и короче с каждым делением клетки.

Но потеря этой генетической информации не критична, ведь теломеры состоят из одной и той же последовательности шести нуклеотидов, повторяющихся снова и снова, которые при делении клетки становятся короче; это защищает важную часть ДНК, которая несет генетический код.

В яйцеклетках и сперматозоидах есть фермент, называемый теломеразой, который добавляет эти повторяющиеся последовательности в конец цепей ДНК, поэтому, теломеры в этих клетках не укорачиваются. В других клетках теломераза менее активна, что приводит к постепенному укорочению теломер со временем.

Укорочение теломер — это одна из причин старения, потому что клетки больше не могут делиться, когда теломеры слишком короткие. Как только они достигают критической точки, клетка становится неактивной, медленно накапливает урон, который она не может восстановить и умирает. Этот предел деления клеток называется Пределом Хейфлика , после того, как исследователь Леонард Хейфлик обнаружил, что нормальные человеческие клетки делятся примерно 50-52 раза.

Удлинение теломер, как лекарство от старости

Слишком короткий теломер посылает сигнал о том, что в ДНК есть проблема. Проблемную ДНК нужно восстанавливать, а не непрерывно копировать, поэтому важно, чтобы сломанная ДНК была помечена и быстро восстановлена с помощью механизмов восстановления клеток. В этом смысле, теломеры играют важную роль в предотвращении рака, который является неконтролируемым делением клеток. Вот почему мы не можем просто продлить жизнь наших клеток, ускорив регенерацию теломер с помощью большего количества теломер-продуцирующей теломеразы: наши встроенные системы борьбы с раком перестали бы правильно функционировать.

Оказывается, важна не только длина теломера, но и форма и структура теломера. Здоровые теломеры образованы на окончаниях хромосом, это аккуратные маленькие петли в форме скрепки, конец которых спрятан и надежно защищен. Если вы когда-либо пытались сформировать петлю или узел с кусочком нити, вы будете знать, что по мере того, как кусочек нити становится все короче и короче, формировать его в петлю становится все труднее. То же самое с теломерами.

Когда эта петля разворачивается и обнажается конец — «звучит» сигнал тревоги, указывающий на поломку ДНК. Деление клетки прекращается и клетка начинает стареть, она больше не может должным образом реагировать на повреждения. Последующее медленное ухудшение функций является частью процесса старения.

Значит ли это, что длинные и здоровые теломеры = ключ к долгой жизни? Нам еще многое предстоит узнать, прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос, но на текущий момент мы не можем с уверенностью это сказать. Тем не менее, мы знаем, что плохой образ жизни (курение или воздействие ультрафиолета) может ускорить деградацию наших теломер, поэтому для нас было бы разумно принять меры, чтобы замедлить этот процесс.

Это продолжение статьи про «Кортизол, окислительный процесс, теломеры и наша молодость», начало .

Продолжаю исследовать тему молодости и ДНК.

А если коротко, то речь идет о теломерах — генах на конце нашей ДНК, от которых зависит, сколько раз клетка может делиться, прежде чем погибнет. Понятно, что нам очень полезно знать про удлинение теломеров.

И именно теломеры, в конечном итоге, являются показателем биологического возраста и повышенного риска подверженности различным заболеваниям и играют важную роль для нашего здоровья.

Последние данные свидетельствуют о том, что укороченный теломер может ингибировать (подавлять, окислять) функцию стволовых клеток, клеточную регенерацию и поддержание органов и участвовать в страшном процессе старения.

Что их укорачивает?

Один из существенных факторов: стресс. Любой. В результате плохой экологии, неблагоприятного окружения и района, домашнего насилия и т.д.

Что удлиняет?

Как ни странно, сама Нобелевский лауреат, которой принадлежит «открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы» в результате многочисленных исследований и сотрудничеств с психиатрами, пришла к выводу, что медитация и пребывание в здесь и теперь — ключ к здоровью и долголетию (про долголетие ).

Кроме того, тема тщательно изучается и с других сторон, и сегодня ученые приходят к следующим выводам относительно длины теломеров и основных принципов их здоровья.

Что говорят ученые о том, как же все-таки помогать теломерам оставаться «длинными и здоровыми»:)?

1. Молодость сердца и Омега-3.

Проведенное в 2010 г. исследование пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС) обнаружило обратную связь между уровнями рыбьего жира в крови и скоростью укорочения теломер за 5 лет, предполагая возможное объяснение защитных эффектов жирных кислот Омега-3. Так как теломеры являются маркером биологического старения, смертность среди больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями можно предсказать с помощью их длины. Исследователи из Калифорнийского университета, Сан-Франциско, обследовали более 600 пациентов и обнаружили, что чем выше уровень Омега-3 у пациентов с ишемической болезнью сердца, тем длиннее теломеры.

Выбирайте высококачественные добавки рыбьего жира и принимайте по 2-3 капсулы (или 1 чайную ложку) два раза в день во время еды.

2. Ежедневно двигайтесь.

В 2008 г. было проведено исследование среди более 2400 близнецов, во время которого сравнивали длину их теломеров. Те, кто тренировался, были биологически моложе, чем те, кто этого не делал. На самом деле, теломеры наиболее активных субъектов оказались на 200 нуклеотидов длиннее, чем у наименее активных субъектов.

Каждую неделю занимайтесь 30-минутными силовыми тренировками (3 раза), 1-2 интервальными кардиотренировками (не более 30 минут) и йогой.

3. Антиэйдж и астрагал.

Астрагал используется в традиционной китайской медицине и обладает иммуностимулирующими свойствами. Обнаружено, что некоторые молекулы астрагала способствуют росту теломеров. Вещества в его корне (так называемые циклоастрагенол и астрагалозид) могут замедлить процесс старения путем активации производства фермента теломеразы (ответственного за восстановление теломер). Две запатентованные формы экстракта корня астрагала известны как TAT2 и TA-65.

4. Ежедневная доза солнечного света.

Чем выше концентрация витамина D, тем длиннее теломеры. Исследователи сообщают, что влияние на теломеров витамина D, вероятно, связано с ингибирующим эффектом на воспаление.

Помните, что закисляющий стресс и воспаление старят вас быстрее, поэтому нужно принять ежедневную дозу солнечного света, чтобы выглядеть и чувствовать себя лучше.

5. Поверните время вспять с ресвератролом.

Известно, что ресвератрол в красном вине улучшает функцию кровеносных сосудов, уменьшает жировые клетки и даже тормозит процесс старения. Это правда! Исследование 2003 г. показало, что обработанные ресвератролом дрожжи жили на 60% дольше. Злоупотреблять не надо, как советуют французы, один бокал красного вина не повредит.

6. Откажитесь от вредных привычек.

Стресс, сахар и воспаление независимо друг от друга укорачивают длину теломер и ускоряют старение клеток.