Страница 8 из 10
Тем не менее Вторая мировая война расстроила все планы Карреля. Он вернулся во Францию, чтобы обустроить там полевой госпиталь на сто коек. К сожалению, французские войска быстро сдались, после чего Каррель руководил своим госпиталем на территории сотрудничавшего с Германией правительства Виши и потому стал считаться коллаборантом. Пока он выживал на военном пайке и оперировал больных, его здоровье все ухудшалось: прежде чем Франция была, наконец, освобождена, он перенес два сердечных приступа. И все же сразу после свержения правительства Виши новые власти поместили его с женой под домашний арест. Американцы пытались вмешаться и защитить Карреля от того, что казалось им чересчур агрессивной реакцией французов, но он, не дождавшись реабилитации, умер в ноябре 1944 года в возрасте 68 лет. Он скончался на родине, но униженным и лишенным всех почетных званий.
Несмотря на то что почти одновременно с ним в результате поражения нацистской Германии умерла и евгеника, Каррель все же полностью перевернул господствующие представления о жизни клеток. Однако в наши дни его самым актуальным наследием остаются замечательные швы, накладывать которые он научился у мадам Лерудье, а его открытия в области клеточной биологии не устояли под напором безжалостного времени.
Когда выдающийся биолог Леонард Хейфлик появился на свет в 1928 году, куриные клетки в лаборатории Алексиса Карреля делились уже 16 лет, а его воззрения считались общепринятыми. Даже когда все попытки повторить этот эксперимент потерпели фиаско, сами исследователи полагали, что это связано с неверным составом питательной среды, в которой росли ткани[24].
Подобные сомнения посещали и Хейфлика, поскольку у него тоже не получалось вечно выращивать эмбриональные клетки в своих средах. После получения докторской степени в Пенсильванском университете он занялся тем, что добавлял экстракты различных опухолей к культурам эмбриональных клеток человека в надежде запустить в них раковые процессы. Однако результат был неизменен: после определенного числа делений клетки теряли способность к размножению. Хейфлик не был уверен, вызывалось ли это истощением какого-либо компонента питательной среды, или же происходило вследствие накопления токсичных веществ. Тем не менее, когда он совместил две культуры, смешав старые мужские и молодые женские клетки, первые умирали раньше, а вторые, находясь в той же самой среде, продолжали делиться, пока, наконец, в культуре не остались только женские клетки. Более того, мужские клетки умирали с той же скоростью, что и клетки в контрольной культуре, состоящей только из них. В более позднем эксперименте Хейфлик доказал, что возраст клеток определяется не столько течением времени, сколько количеством циклов репликации ДНК. Он подверг культуру клеток криогенной заморозке, и после размораживания они могли совершить все то же число делений[25]. Австралийский нобелевский лауреат Фрэнк Макфарлейн Бернет назвал этот феномен “пределом Хейфлика”, и его существование раз и навсегда доказало, что прекращение деления клеток зависит от неких внутренних факторов[26].
Работы Хейфлика помогли опровергнуть мнение, которое с начала XX века воцарилось в науке благодаря экспериментам Алексиса Карреля. Хотя Август Вейсман еще в 1889 году выдвинул гипотезу, что число делений клетки ограничено, опыт Карреля с куриным сердцем заставил ученых о ней позабыть. Дальнейшие исследования показали, что эксперимент Карреля был фальсифицирован, и сам он, скорее всего, знал об этом[27]. Каждый раз, когда он добавлял в среду питательные вещества, вместе с ними туда попадали и новые эмбриональные клетки. Якобы вечная куриная ткань постоянно обновлялась за счет этих новых клеток, и спустя всего несколько месяцев в ней уже не было ни одной из тех клеток, с которыми Каррель начинал свой эксперимент. Но теперь, когда “предел Хейфлика” получил всеобщее признание, перед исследователями встал вопрос, почему этот предел вообще существует. Ответ на него смог бы указать на причину старения клеток, а следовательно, и людей.
ДНК – это определяющее функционирование наших клеток микроскопическое шифрованное послание на двойной спирали, компактно упакованное в хромосомы. Каждая обычная клетка человека содержит двадцать три пары таких хромосом; мужские и женские половые клетки содержат по одной копии каждой из двадцати трех хромосом, формируя полный комплект при оплодотворении. После открытия Хейфлика ученые принялись исследовать механизмы, лежащие в основе клеточного старения. С первых же работ, посвященных этой проблеме, основное внимание было приковано к самым кончикам хромосом.
Ученые заметили, что, в то время как центральные участки хромосом содержали уникальные последовательности ДНК, которые были похожи для всех клеток в пределах одного вида и жизненно важны для управления синтезом незаменимых компонентов клетки, последовательности на концах хромосом были совсем другими. Во-первых, при репликации клетка не могла создать полную копию концевых участков своей ДНК[28]. А во-вторых, длина этих участков варьировала в различных клетках, что было необычно, учитывая высокую степень постоянства структуры генома.
В 1978 году, когда Элизабет Блэкберн было всего тридцать лет, она опубликовала первые полученные ею в Йельском университете данные о концевых участках хромосом простейших одноклеточных организмов[29]. Она обнаружила нечто очень любопытное: в отличие от остальных частей хромосом, состоящих из беспорядочных нуклеотидных последовательностей, которые могут управлять синтезом белков и выполнять другие важные функции, концевые участки представляют собой повторы одних и тех же последовательностей, которые одинаковы для самых разных видов и не имеют какого-либо конкретного закодированного содержания. Число таких повторов меняется от клетки к клетке[30], и то же самое наблюдается в клетках человеческого организма[31].
Дальнейшие исследования показали: мало того что длина этих концевых участков, названных теломерами, варьирует от клетки к клетке – что важнее, они укорачиваются с каждым новым делением[32]. Эти наблюдения дали серьезные основания полагать: именно теломеры и ответственны за существование предела Хейфлика, поскольку в тот момент, когда они совсем укорачиваются, состояние клетки становится нестабильным и запускается процесс апоптоза.
В 1985 году Блэкберн и одна из ее учениц по имени Кэрол Грейдер открыли теломеразу – фермент, который отвечает за синтез и удлинение теломер[33]. Добавляя дополнительные повторы, теломераза может увеличивать длину теломер в клетках. Последующие эксперименты показали, что введение гена теломеразы в нормальные в прочих отношениях клетки может значительно увеличивать продолжительность их жизни[34]. Больше того, недавно мы узнали, что повторная активация теломеразы у мышей, преждевременно состарившихся из-за того, что работа теломеразы в их клетках была изначальна подавлена, приводит к исчезновению признаков старости[35]. В наше время концевые участки, которые впервые привлекли внимание ученых еще в 1930-е годы, когда было замечено, что они не участвуют в обмене генетическим материалом между хромосомами, считаются ключевыми для поддержания баланса между жизнью и смертью клеток.
Теломеры, подобно годовым кольцам деревьев, дают очень наглядное представление о непрерывной борьбе особи за выживание. Когда они становятся совсем короткими, клетки уже не могут делиться, не теряя при этом важного генетического материала. Результатом становится нестабильное состояние, которое создает условия для повреждения клеток и в конечном счете их гибели. Нарушения структуры ДНК – это характерная особенность процесса старения клеток, и помимо укорочения теломер существует еще несколько механизмов, которые этому способствуют. Повреждения митохондрий (клеточных электростанций) приводят к высвобождению токсичных веществ, которые могут приближать начало апоптоза.
24
Witkowski JA. Dr. Carrel’s immortal cells. Med Hist. 1980; 24 (2): 129-42.
25
Hayflick L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Exp Cell Res. 1965; 37: 614-36.
26
Shay JW, Wright WE. Hayflick, his limit, and cellular ageing. Nat Rev Mol Cell Biol. 2000; 1 (1): 72-76.
27
Carrel, Man, the Unknown.
28
Watson JD. Origin of concatemeric T7 DNA. Nat New Biol. 1972; 239 (94): 197-201.
29
Blackburn EH, Gall JG. A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA genes in Tetrahymena. J Mol Biol. 1978; 120 (1): 33-53.
30
Cooke HJ, Smith, BA. Variability at the telomeres of the human X/Y pseudoautosomal region. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1986; 51: 213-19.
31
Moyzis RK, Buckingham JM, Cram LS, Dani M, Deaven LL, Jones MD, et al. A highly conserved repetitive DNA sequence, (TTAGGG) n, present at the telomeres of human chromosomes. Proc Natl Acad Sci USA. 1988; 85 (18): 6622-26.
32
Harley CB, Futcher AB, Greider CW. Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts Nature. 1990; 345 (6274): 458-60.
33
Greider CW, Blackburn EH. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts. Cell. 1985; 43 (2 Pt 1): 405-13.
34
Bodnar AG, Ouellette M, Frolkis M, Holt SE, Chiu CP, Morin GB, et al. Extension of life span by introduction of telomerase into normal human cells. Science. 1998; 279 (5349): 349-52.
35
Jaskelioff M, Muller FL, Paik JH, Thomas E, Jiang S, Adams AC, et al. Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice. Nature. 2011; 469 (7328): 102-6.