<<
>>

Смертность нормальной соматической клетки: молекулярные причины

В 1891 г. известный биолог А. Вейсманн (A. Wesmann) впервые предпо- ложил, что соматические клетки животных и человека «должны иметь ограни- ченный потенциал деления», т.е. они смертны.
Но ученый не дал подтвержде- ний этому предположению.

Знания о том, что соматическая клетка того или иного типа у человека смертна или бессмертна очень важно для понимания раковой клетки.

Для решения вопроса – смертна или бессмертна сама по себе нормальная клетка, имеются два метода:

1) нормальную клетку после выделения из ткани организма можно перенести на питательную среду, т.е. в культуру и проследить ее способность к размножению;

2) нормальную клетку из ткани организма можно пассировать на изогенных лабораторных животных, пометив ее специфическим маркером для отличия от нормальных клеток хозяина.

По наличию размножения клетки можно сделать вывод – смертна или бессмертна нормальная клетка.

В начале XX в. А. Каррель – известный специалист по культуре клеток, – изучал этот вопрос в культуре фибробластов, взятых из сердца цыпленка.

По его данным, фибробласты в культуре имели неограниченную способность к размножению, т.е. они бессмертны. Это было признано открытием. Но оно просуществовало до 1961 г., когда было доказано, что это не так.

В 1961 г. Л. Хейфлик и П. Мурхед (Hayflick L. and Moorhead P.S.) на нормальных фибробластах от человека показали ограниченную способность фибробластов в культуре к делению, т.е., что они смертны. Перед началом своих опытов они исключили все артефакты и неадекватные условия культуры для изучаемых клеток.

В этих опытах ученые обнаружили, что фибробласты от эмбриона человека были живыми, т.е. удваивались в числе, в среднем до 50±10 раз. Чем старше донор, тем меньше удвоений делали взятые от него клетки. Фибробласты от человека 20 лет, уже делились только 30±10 раз.

К концу среднего срока ни одна клетка уже не делилась, и клетки гибли. Этим было доказано, что нормальные клетки человека имеют ограниченную продолжительность жизни.

Предел числа деления нормальной клетки – 50±10, в литературе стали обозначать словами – «лимит Хейфлика».

В другом опыте ученые хранили часть клеток в жидком азоте при температуре –190° ниже нуля. В таких условиях клетки могут храниться сколько угодно. Но как только фибробласты оттаивали и помещали в питательную среду, они снова начинали делиться. При этом оказалось, что клетки «считают», сколько удвоений у них было до того, как их поместили в холодильную камеру, так как доводят число удвоений до положенного значения – 50±10. Например, клетки, помещенные на хранение после 30 делений, удваивались еще, но только

20 раз. Это означает, что причина ограниченного числа делений нормальной клетки, а затем ее смерть, является «внутренним свойством» самой клетки. Но какая причина делает клетки неспособными к делению и затем приводит их к смерти, ученые не смогли установить.

На основе анализа процесса репликации ДНК, проф. А.М. Оловников – предположил, что с каждым делением клетки «как-то меняется длина еe ДНК». Если это так, то причина «лимита Хейфлика» должна быть в процессе, который происходит в области концов каждой из цепей ДНК во время ее удвоения перед делением клетки. Так он в 1971 г. впервые в мире предсказал причину ограниченного числа деления нормальной клетки, предложив гипотезу – «маргинотомии». От лат. слова ?margo? – край и греч. ?tome? – отсечение, то есть усечение копии ДНК с краев.

Цепи ДНК расходятся, и на каждой из цепей достраивается еe копия с помощью фермента ДНК-полимеразы. Ясно, что цепь исходной ДНК – это матрица, по ней строится дочерняя цепь путем комплементарного связывания азо тистых оснований. В результате перед делением клетки удваивается ДНК, а с этим и хромосома.

В своей гипотезе ученый исходил из того, что фермент ДНК-полимераза – это не «точка», а объемная молекула.

Ее каталитический центр достраивает дочернюю цепь ДНК, но занимает «лишь ничтожную часть молекулы». Остальные участки фермента каталитически неактивны. С их помощью фермент узнает матрицу и движется по ней, но в копировании цепи ДНК эти участки «не заняты».

По причине неактивных участков фермент синтезирует копию цепи: «либо не с самого начала матрицы (Рис. 1), либо не до самого ее конца» (Рис. 2). В результате дочерняя цепь получается короче, чем матрица. Поэтому после каждого деления дочерние клетки получают «в наследство» все более короткие молекулы ДНК. В этом и заключается «усечение копии ДНК с краев».

Еще в 1932 г. Нобелевский лауреат Г. Мюллер задолго до открытия структуры ДНК, понял, что концевые участки хромосом содержат материал, защищающий проксимально расположенные гены от разрушения. Он назвал эти концевые структуры теломерами (от греч. – telos – конец, meros – часть, доля).

Схема проксимальной маргинотомии ДНК

Рис. 1.

Схема проксимальной маргинотомии ДНК

. а1 – молекула ДНК-

полимеразы с «правокраевым» расположением каталитического центра (рис. и цит. по: А.М. Оловников, 1971).

дистальной маргинотомии ДНК

Рис. 2. Схема

дистальной маргинотомии ДНК

. а2 – молекула ДНК- полимеразы с «левокраевым» расположением каталитического центра (рис. и цит. по: А.М. Оловников, 1971).

По мнению A.M. Оловникова, усечение копии ДНК не дойдет до «исчерпания всей длины ДНК, а значит хромосомы», клетка перестанет делиться и погибнет раньше. Он допускал, что на концах ДНК находятся «буферные» гены, которые не кодируют белки, а лишь «страхуют клетку».

Концевые гены называли телогенами. На каждом конце хромосомы находится по одному телогену. Гены, кодирующие белки, расположены ближе к середине хромосомы; если усечение не затрагивает их, клетка будет функционировать нормально.

«Буферный» ген состоит примерно из 50 сегментов. В процессе маргинотомии сегменты телогена утрачиваются. A.M. Оловников даже предположил, как это происходит. В процессе каждой репликации не воспроизводится крайний сегмент телогена, и так к 50-му делению клетки все сегменты телогена расходуются. Вместе с этим клетка утрачивает способность удваиваться, затем погибает.

Итак, маргинотомия ДНК в процессе деления нормальной клетки,– это и есть молекулярная причина и «счетчик» ограниченного числа деления, старения и смерти нормальной клетки.

Маргинотомия или укорочение теломер молекулы ДНК является повреждением ДНК клетки. Поэтому считают, что гибель клетки после «лимита Хейфлика» происходит через апоптоз. Это имеет биологический смысл: клетки всех тканей должны обновляться, иначе живое не может существовать. Так что природа живого предусмотрела ограничение числа делений нормальной клетки и ее гибель с этой целью.

При репликации дочерней молекулы ДНК в качестве матрицы используется одна из ее цепей: нематричная – для одной дочерней молекулы ДНК, матричная – «стяжками Оказаки назад» – для другой. Предположение нашего ученого – проф. А.М. Оловникова о том, что репликация ДНК с помощью ДНК- полимеразы всегда происходит с укорочением концов дочерней молекулы, а значит и хромосомы, многие ученые называют открытием «на кончике пера» (А.Г. Голубев, 1996). Это предположение было подтверждено в 1972 г. Д. Уотсоном (J.D. Watson, 1972). Он учел другую особенность фермента при репликации ДНК, но с теми же последствиями, что предсказал A.M. Оловников.

Оказалось, что ДНК-полимераза не может синтезировать копию из нуклеотидов ни нематричной, ни матричной цепи, а может только достраивать уже существующую короткую цепочку нуклеотидов и только с 3’-конца растущей цепи ДНК.

Что из себя представляет эта короткая цепочка нуклеотидов, и кто ее синтезирует?

Это короткая цепь из 10 до 20 нуклеотидов, комплементарных материнской цепи, т.е. матрице, и называется затравкой. Она образует начальный 5’- концевой участок дочерней цепи. Ее синтезирует другой фермент – РНК- полимераза, называемая праймазой (от англ. primer – затравка). ДНК-полимераза присоединяется к 3’-концу затравки и удлиняет дочернюю цепь комплементарными нуклеотидами в направлении от 5’ к 3’, но с 3’-конца затравки (Рис. 3).

Репликация нематричной цепи ДНК

Рис. 3.

Репликация нематричной цепи ДНК

: I-II – достраивание нуклео- тидами 3’-концов праймерами на нематричной цепи материнской ДНК; II-III – выщипление рибонуклеотидов праймерной РНК; III-IV – заполнение брешей от праймерной РНК, начиная от 3’-концов фрагментов Оказаки; V – дочерняя ДНК с укороченной нематричной цепью (рис. и цит. по: А.Г. Голубев, 1996).

После репликации дочерней цепи молекулы ДНК, крайняя затравка удаляется, т.е. выщипляется специальным ферментом. В матричной цепи также удаляется затравка из фрагментов Оказаки.

Удаление самой крайней затравки приводит к тому, что дочерняя цепь как нематричной, так и матричной цепи оказывается короче на длину затравки, т.е. на 10-20 нуклеотидов. В результате 3’-конец нематричной цепи материнской ДНК остается недореплицированным, а 5’-конец матричной цепи дочерней молекулы ДНК оказывается укороченным на длину затравки.

В результате этой особенности репликации, ведущей к укорочению 5’- конца дочерней цепи, 3’-конец нематричной цепи в дочерней молекуле ДНК получается ни с чем не спаренным и образует выступающий 3’-конец материнской цепи, его называют 3’-оверхенг. В нормальной клетке этот одноцепочечный конец уничтожается каким-либо ферментом, в результате дочерняя молекула укоротится с конца, а значит, укоротится перед делением клетки и хромосома.

Ясно, что с каждой последующей репликацией перед делением нормальной клетки, концы цепей дочерней молекулы ДНК – 3’- и 5’-конец – укорачиваются на величину затравки (Рис.

4).

Уничтожение выступающего 3’-конца нематричной цепи в дочерней молекуле ДНК

Рис. 4.

Уничтожение выступающего 3’-конца нематричной цепи в дочерней молекуле ДНК

. В результате: укорочение 3’- и 5’-го конца цепей в дочерней молекуле ДНК на одинаковую длину.

Итак, то, что считалось сегментом телогена, теперь это – РНК-праймер, а телоген – это теломера, или теломерная ДНК.

Г. Мюллер (1932) раньше всех понял, что теломеры на концах хромосомы предохраняют хромосому от разрушения. Но многие годы о теломерах больше ничего не было известно, в частности, из чего они состоят.

Лишь в конце 1970-х – начале 1980-х годов американские генетики Е. Блэкберн и Дж. Голл открыли строение теломеры.

Оказалось, что теломера в хромосоме человека – это гексануклеотид с тимином на 5’-конце и целиком из гуанина – на 3’-конце, т.е. – ТТАГГГ. Эта последовательность создает концы молекулы ДНК, а в комплексе с белками, – концы хромосомы.

ТТАГГГ создает фрагмент Г-цепи, а комплементарные ему основания – фрагмент Ц-цепи. Такой двухцепочечный фрагмент многократно повторяется и создает концы молекулы ДНК, а в комплексе с белками – концы хромосомы. В литературе употребляются равнозначные термины – теломера или теломерная ДНК.

Именно теломера укорачивается на длину РНК-праймера при каждой репликации цепи перед делением клетки. Но укорачивается теломера, а гены при этом обычно не страдают.

Укорочение теломеры на величину праймера каждый раз перед делением клетки – это метка, указывающая сколько еще клетке осталось делиться, то есть жить.

Нормальная клетка прекращает делиться, когда ее теломеры становятся слишком короткими, чтобы защитить концы хромосом от склеивания или их неправильного распределения – анеуплоидии и пр. На этом этапе в клетке возникает сигнал на самоуничтожение, т.е. апоптоз, а не тогда, когда теломеры полностью «расходуются».

Потери теломеры на 10-20 нуклеотидов при каждом делении нормальной соматической клетки, позволяют ей делиться, т.е. жить не более «лимита Хейфлика»: 50±10 раз.

Итак, предположение немецкого биолога А. Вейсманн (1891) о том, что способность нормальной клетки к делению «не вечна, но ограничена», впервые нашло подтверждение в 1961 г. в работе Л. Хейфлик с П. Мурхедом в опытах с нормальными клетками в культуре. Однако, выяснить причины этого явления им не удалось.

В 1953 г. была открыта структура молекулы ДНК и, исходя из нее, был объяснен механизм ее репликации, которая необходима любой клетке перед ее делением.

Однако, в 1971 г. наш ученый, ныне сотрудник Института биохимической физики РАН, проф. А.М. Оловников, впервые обратил внимание на то, что ДНК-полимераза «не в состоянии» полностью копировать концы цепочек нуклеотидов молекулы ДНК. Следствием этого должно быть укорочение, т.е. недорепликация ДНК перед каждым делением нормальной клетки. Это и оказалось молекулярной причиной ограниченного числа деления нормальной клетки любого типа – лимит Хейфлика.

Проф. А.М. Оловников предсказал и способ, которым клетка могла бы решать эту проблему: «наращивание некодирующей белок последовательности нуклеотидов, которую не жалко было бы потерять при репликации» (акад. В.П. Скулачев, 1997).

По его мнению, для наращивания нуклеотидов необходим особый фермент. В 1985 г. его открыли другие ученые, – это фермент теломераза.

Понимание механизма работы и регуляции этого фермента позволит ученым глубже проникнуть в сущность процессов старения и бессмертия раковой клетки.

Акад. В.П. Скулачев (1997) писал так: «Работа А.М. Оловникова – один из немногих примеров, когда блестящая мысль отечественного ученого не осталась забытой, но, к сожалению, получила развитие, не у нас в стране, а за рубежом, причем приоритет автора общепризнан и нигде не подвергается сомнению».

<< | >>
Источник: А.И.Рукавишников. Азбука рака. 2007

Еще по теме Смертность нормальной соматической клетки: молекулярные причины:

  1. СИСГЕМНАЯ КРАСНАЯ ВОЛЧАНКА
  2. Болезни суставов
  3. ДОБРОКАЧЕСТВЕННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ МОЛОЧНЫХ ЖЕЛЕЗ
  4. ОНКОГЕНЫ И НЕОПЛАСТИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
  5. ВРОЖДЕННЫЕ НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ
  6. САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
  7. АЛКОГОЛЬ И АЛКОГОЛИЗМ
  8. Акушерские кровотечения
  9. Г
  10. П
  11. Общие положения
  12. Смертность нормальной соматической клетки: молекулярные причины
  13. Бронхиальная астма
  14. Сахарный диабет