Теломеры: как замедлить старение и побороть рак

Фото: Shutterstock
Фото: Shutterstock
Наши хромосомы укорачиваются с возрастом. Рассказываем, как это происходит, при чем здесь теломеры и как их длина связана с продолжительностью жизни

Содержание

Что такое теломеры

Теломеры — это области на концах хромосомы, которые защищают ее от повреждений и «склеивания» с другими хромосомами. Иногда теломеры называют «защитными колпачками» хромосомы.

Теломеры видимы в световой микроскоп: их можно окрасить таким образом, чтобы они отличались по цвету от центральных частей каждой хромосомы. Световые пятна на фото — это и есть теломеры на концах хромосом.
Теломеры видимы в световой микроскоп: их можно окрасить таким образом, чтобы они отличались по цвету от центральных частей каждой хромосомы. Световые пятна на фото — это и есть теломеры на концах хромосом. (Фото: commons.wikimedia.org)

Изучение теломер началось в 1930-е годы. Американский генетик Герман Меллер (Hermann Joseph Muller) проводил эксперименты с плодовыми мухами. Он использовал рентгеновские лучи, чтобы заставить хромосомы мушек изменять свою структуру — мутировать, и с удивлением заметил, что кончики хромосом были устойчивы к действию лучей. Меллер предположил, что эти кончики выполняют какую-то особую функцию — как-то «запечатывают» хромосому, не давая ей изменяться. Меллер назвал эти концы теломерами (от греческих слов telo, что означает «конец», и mere — «часть») [1].

Сегодня ученые знают, что теломеры действительно играют важную роль в стабилизации формы хромосом. Они не дают хромосомам «срастаться» друг с другом. Объясняя защитную функцию теломер, цитогенетик Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn) сравнивает их с пластиковыми наконечниками шнурков, которые предохраняют сами шнурки (то есть хромосомы) от распутывания [2].

Период активного изучения теломер пришелся на 80-е годы и продолжился вплоть до 2000-х годов. В 2009 году Нобелевская премия по медицине была присуждена Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер (Carol Greider) и Джеку Шостаку (Jack Szostak) «за открытие того, как теломеры и связанный с ними фермент теломераза защищают хромосомы» [3].

Современные исследования теломер продолжаются. Одно из перспективных направлений — связь теломер и человеческого старения. Об этой взаимосвязи ученые высказываются с осторожностью: пока нет стопроцентных доказательств того, что, влияя на теломеры, мы непременно увеличим свою продолжительность жизни. Но идея изобрести с помощью теломер лекарство от старости кажется ученым невероятно привлекательной. Сторонники теломерной теории старения уверены, что именно теломеры помогут нам провести жизнь более здоровыми и активными [4].

Что происходит с теломерами с возрастом

В 1961 году профессор анатомии Леонард Хейфлик (Leonard Hayflick) из Калифорнийского университета обнаружил, что клетки человека делятся ограниченное число раз и умирают приблизительно после 50 делений. Этот порог в 50 делений назвали пределом Хейфлика. И именно теломеры «отмеряли», сколько еще раз могла делиться клетка.

Большинство человеческих клеток делится от 40 до 60 раз , прежде чем умереть. По мере деления клетки теломеры на конце хромосомы становятся меньше, а к концу жизненного цикла клетки почти исчезают [5].
Большинство человеческих клеток делится от 40 до 60 раз , прежде чем умереть. По мере деления клетки теломеры на конце хромосомы становятся меньше, а к концу жизненного цикла клетки почти исчезают [5]. (Фото: commons.wikimedia.org)

В стареющем организме деление происходит все реже и реже. Когда после определенного числа делений теломеры исчезают совсем, клетка запускает программу разрушения.

Так выглядит апоптоз — запрограммированная гибель клетки, которая после примерно 50 делений распадается на отдельные фрагменты и в итоге исчезает.
Так выглядит апоптоз — запрограммированная гибель клетки, которая после примерно 50 делений распадается на отдельные фрагменты и в итоге исчезает. (Фото: biomolecula.ru)

Исследования показывают, что старение организма связано с укорачиванием теломер, но не сводится к нему [6]. Старые клетки есть и в молодом организме. Разница в том, что с возрастом их становится все больше: накопление старых клеток приводит к дегенеративным процессам, которые, в свою очередь, приводят к возрастным заболеваниям.

Фото:Shutterstock
Социальная экономика Почему мы стареем — ключевые научные теории

Врач превентивной медицины и наставник по здоровью сервиса Health Buddy Елена Агапова подтверждает, что одним из факторов, влияющих на скорость старения и продолжительность жизни, является длина теломер. Этот фактор не определяющий. Старение связано с другими процессами — избытком свободных радикалов в клетках организма, сахаростарением и, конечно, с хронологическим, то есть паспортным возрастом каждого из нас.

Тем не менее, не всегда дата рождения в паспорте указывает на реальное состояние организма. Например, вам может быть 45 лет, но чувствовать вы себя будете как шестидесятилетний. В медицине существует понятие «биологический возраст», он показывает, насколько активны процессы клеточного старения. И возможно, что именно длина теломер представляет наш биологический возраст.

Врач-кардиолог, доктор медицинских наук Татьяна Бродовская поясняет, что сокращение длины теломер связано с болезнью Альцгеймера, высоким кровяным давлением, диабетом 2-го типа, атеросклерозом. Все эти заболевания считаются возрастными, то есть между короткими теломерами и старением есть связь. Но пока неизвестно, короткие теломеры — это признак старения, как седые волосы, или это одна из его причин.

У некоторых долгоживущих видов, таких как люди, теломеры намного короче, чем, например, у мышей, которые живут всего несколько лет. Пока неизвестно, почему так происходит, но это свидетельствует о том, что сами по себе теломеры не определяют продолжительность жизни. Старение — это многофакторный процесс, и длина теломер — лишь один из его механизмов.

Что укорачивает теломеры

У разных людей теломеры становятся короче с разной скоростью. Ученые исследовали некоторые факторы, которые приводят к более быстрому, чем обычно, укорачиванию теломер и, вероятно, к преждевременному старению.

Длительный психологический стресс

Некоторые исследования указывают, что стресс связан с клеточным старением и, возможно, ускоряет его [7]. Элизабет Блэкберн рассказывает, что ее лаборатория изучала матерей хронически больных детей, а также женщин после 45 лет, которые ухаживали за больным членом семьи. В обеих группах, чем сильнее был стресс от забот и чем дольше его испытывали женщины, тем больше «истощались» их теломеры [8].

Проблемы с сердцем и сосудами

В этом же исследовании Блэкберн обнаружила связь между стрессом, болезнями сердца и короткими теломерами. Ученые проанализировали показатели сердечно-сосудистых заболеваний: уровень холестерина, ожирения и некоторые другие. У женщин с плохими показателями были короткие теломеры [9].

Воздействие вредных веществ

Тяжелые металлы, например кадмий, значительно укорачивают теломеры. Токсичные вещества провоцируют сердечно-сосудистые заболевания, респираторные нарушения, рак. Ученый, проводивший масштабное исследование воздействия тяжелых металлов на человека, отмечает, что люди подвергаются токсичному воздействию, когда едят фрукты и овощи, выращенные на загрязненной почве, живут вблизи промышленных объектов или вдыхают табачный дым [10].

Связь между курением и укороченными теломерами подтверждается и другими исследованиями. Их общий вывод — у курильщиков действительно более короткие теломеры по сравнению с теми, кто никогда не курил. Вредные вещества из табачного дыма ускоряют развитие возрастных заболеваний и укорачивают теломеры. Для некурящих людей самый распространенный источник токсического воздействия тяжелых металлов — это продукты питания [11].

Избыточный вес

Ученые выдвинули гипотезу, что избыточный вес как фактор преждевременного старения может влиять и на длину теломер. Некоторые исследования ее подтверждают: заметное укорочение теломер было обнаружено у женщин с избыточным весом или ожирением в промежутке от 30 до 39 лет. Вывод — ожирение может ускорять старение, и в зрелом возрасте важно поддерживать оптимальный вес. Кроме того, длительное ожирение может быть более опасным — у женщин, у которых уже был избыточный вес на момент 30 лет, теломеры были короче, чем у тех, кто прибавил в весе уже после 30 [12].

Ученые напоминают, что длина теломер так или иначе изменится с возрастом. Но именно ускоренное уменьшение теломер приводит к преждевременному старению, апоптозу или злокачественному изменению клеток, негативно влияя на здоровье и продолжительность жизни человека [13].

Что поддерживает длину теломер

Это делает теломераза — особое сочетание белка и РНК (рибонуклеиновой кислоты), которое вырабатывается в самой клетке. Основная задача теломеразы — поддерживать длину теломер. Она в буквальном смысле удлиняет концы хромосом [14].

На рисунке показан упрощенный процесс того, как «головастик»-теломераза удлиянет «ленточку»-кончик хромосомы — теломеру. С помощью компонентов теломеразы теломеры «достраиваются» до нужной длины.
На рисунке показан упрощенный процесс того, как «головастик»-теломераза удлиянет «ленточку»-кончик хромосомы — теломеру. С помощью компонентов теломеразы теломеры «достраиваются» до нужной длины. (Фото: longlonglife.org)

Ученые давно изучают факторы, помогающие работе теломеразы и замедляющие укорачивание теломер. Элизабет Блэкберн называет некоторые из них — спорт, интересное хобби и отсутствие хронического стресса. Она объясняет, что у каждого из нас есть свой «срок здоровья» — количество лет, в течение которых мы остаемся здоровыми и активными, пока теломеры достаточно длинные. Но и мы сами способны повлиять на теломеразу и теломеры и отсрочить переход от здоровья к болезням. Генетик подчеркивает, что речь идет не об экстремальном увеличении жизни, а именно об активном долголетии [15].

Физическая нагрузка

По словам Блэкберн, для сохранения здоровья не нужно истязать себя в спортзале по три часа в день или бегать по марафону в неделю. Люди, которые занимаются умеренными аэробными упражнениями — примерно три раза в неделю по 45 минут — имеют теломеры почти такой же длины, как и марафонцы.

Заниматься разными видами спорта полезнее, чем каким-то одним. Есть данные, что чем больше разных упражнений выполняли люди, тем длиннее были их теломеры. Даже 10–15 минут легких физических упражнений в день сглаживают эффект хронического стресса, вызванного, например, сидячим образом жизни [16].

Умеренное и сбалансированное питание

Есть данные, что употребление в пищу клетчатки и снижение количества белка увеличивает продолжительность жизни. Диета с ограничением белка в пище на 40% привела к увеличению продолжительности жизни крыс на 15%, что сопровождалось значительно более длинными теломерами в почках [17]. Несмотря на то, что эксперименты проводились с крысами, ученые видят здесь взаимосвязь с низкобелковой и высокоуглеводной диетой японцев, нации с самой высокой продолжительностью жизни [18]

Фото:Unsplash
Футурология Российские ученые доказали связь между диетой и замедлением старения

Кроме того, некоторые исследования указывают на взаимосвязь между рационом беременной женщины и длиной теломер ее ребенка во взрослом возрасте. Например, обнаружилась зависимость между потреблением кофеина матерью во время беременности и более длинными теломерами ее ребенка. Тем не менее, ученые отмечают, что связи между питанием и теломерами еще недостаточно изучены, и не делают категоричных выводов [19], [20].

Майер-терапевт, врач клиники превентивной и антиэйдж-медицины Verba Mayr Инна Решетова считает, что кратковременное голодание — один из самых действенных способов поддержать здоровье. Оно влияет сразу на все механизмы старения, в том числе на длину теломер путем активации теломеразы. Люди, которые голодают хотя бы раз в неделю или делают промежутки между приемами пищи около 16–18 часов (интервальный голод), уменьшая количество потребления продуктов и сокращая калорийность своего рациона, действительно улучшают разные показатели здоровья и продлевают молодость.

При этом врач отмечает, что нужно оптимально сочетать голодание с другой полезной деятельностью. Если человек будет голодать, но при этом вести малоподвижный образ жизни и спать всего четыре-пять часов, то положительный эффект от такого голодания снижается в разы.

Вещества-«активаторы» теломеразы

В научном сообществе ведут поиски природных соединений, активизирующих работу теломеразы. Ученые изучают воздействие экстрактов некоторых растений на нее, обрабатывая ими клетки крови человека. Результаты многообещающие — например, экстракт центеллы азиатской увеличил активность теломеразы в 8,8 раз. Исследователи полагают, что совместное воздействие питательных веществ и природных соединений, вероятно, даст лучший результат. Для этого нужны, в том числе, и клинические испытания на людях [21].

Элизабет Блэкберн также не отрицает пользу природных соединений и пищевых добавок. Она говорит, что жирные кислоты омега-3 связаны с сохранением теломер, а самый простой способ получить эти кислоты — принимать добавки. Омега-3 также содержатся в жирной рыбе и льняном семени. Есть некоторые данные, что и витамин D способен поддержать теломеры, но исследования в этом направлении только начинаются [22].

Как измерить длину своих теломер

Это можно сделать с помощью теста на измерение теломер, объясняет майер-терапевт Инна Решетова. Это специальный анализ, который обычно так и называется — тест на теломеры или измерение длины теломер. Он похож на стандартный биохимический анализ крови из вены — исследуется средняя длина концевых участков определенных клеток крови. Полученный результат сравнивают с нормой, которая должна быть у пациента в этом возрасте. Если результат сильно больше или меньше нормы, это может говорить о патологии — болезни или воздействии негативных факторов.

Длина теломер меняется со временем. Чтобы отслеживать эти изменения, нужно сдавать такой анализ приблизительно раз в полгода.

Теломеры и рак

Ученые также обнаружили взаимосвязь теломер с опасными заболеваниями, такими как, например, рак. Эксперименты идут в нескольких направлениях: исследуется связь между длинными теломерами и онкологией, механизм образования рака и воздействие на теломеразу в раковых клетках.

Длинные теломеры, возможно, провоцируют онкологию

Есть предположения, что чем длиннее теломеры, тем выше шанс дожить до развития онкологического заболевания. Подробнее об этом рассказала эндокринолог и специалист по превентивной и anti-age медицине Европейского медицинского центра Елена Островская.

Считается, что чем длиннее теломеры, тем больше у человека шансов прожить долгую жизнь. Но обычная клетка не просто так ограничивает количество своих делений. Чем дольше она живет, тем больше в ней накапливается поломок и изменений, которые развиваются под влиянием вредных факторов внешней среды. Это могут быть токсины, радиация, чрезмерная инсоляция, избыток пестицидов и гербицидов в окружающей среде, алкоголь и курение и другие. Чем больше таких факторов на нас действует, тем больше повреждений накапливается в клетках, потому что все эти факторы так или иначе повреждают ДНК. С поврежденной ДНК синтезируются дефектные белки. Они не так хорошо выполняют свои функции как раньше, и иногда накопление таких поломок может приводить к развитию раковых клеток. Исследования в этом направлении еще идут и однозначного ответа, как это происходит, пока нет [23].

Изучение «бессмертия» раковых клеток

Многие виды раковых клеток имеют укороченные теломеры — например, раковые клетки поджелудочной железы, костей, простаты, мочевого пузыря, легких, почек, головы и шеи [24]. Это происходит потому, что, когда нормальная клетка трансформируется в раковую, она делится чаще, и ее теломеры становятся очень короткими.

Но если теломеры слишком коротки, это может привести к гибели клетки. И чтобы не погибнуть, раковые клетки вырабатывают много теломеразы. Она не дает теломерам сильно укорачиваться. Таким образом, раковые клетки, усиленно вырабатывая теломеразу, становятся практически бессмертными.

В большинстве видов рака теломераза поддерживает стабильную длину теломер, делая такие клетки потенциально бессмертными. На фото раковые клетки HeLa, выделенные в 1951 году из опухоли шейки матки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks). Они живы и до сих пор используются цитологами — например, с их помощью была разработана вакцина против полиомиелита.
В большинстве видов рака теломераза поддерживает стабильную длину теломер, делая такие клетки потенциально бессмертными. На фото раковые клетки HeLa, выделенные в 1951 году из опухоли шейки матки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks). Они живы и до сих пор используются цитологами — например, с их помощью была разработана вакцина против полиомиелита. (Фото: National Institutes of Health (NIH))

Остановить теломеразу — победить рак?

Если ученые научатся останавливать теломеразу, чтобы она не удлиняла раковые клетки, то таким образом можно будет победить рак — раковые клетки будут постепенно укорачиваться, в итоге «постареют» и погибнут. Такие эксперименты уже проводились. Ученые блокировали активность теломеразы в клетках рака груди и простаты человека, растущих в лаборатории. Это привело к гибели опухолевых клеток [25].

Сейчас исследуются различные методы воздействия на теломеразу — противораковые вакцины, иммунотерапия и другие. Но пока что клинически одобренных стратегий, использующих теломеразу в качестве терапии рака, не существует [26].

Теломеры и победа над старостью

Существует больше сотни разных теорий старения. Сторонники теломерной теории полагают, что самое перспективное направления борьбы над старостью — это придумать способы, как помочь клеткам вырабатывать больше теломеразы и удлинить теломеры. При этом нужно учесть, что избыточная выработка теломеразы может увеличить риск развития раковых опухолей [27].

Глава одной из частных исследовательских компаний по биотехнологиям Элизабет Пэрриш (Elizabeth Parrish) заявила, что она добровольно подверглась экспериментальной генной терапии, которая направлена на борьбу с двумя самыми известными факторами старения: укорачиванием теломер и потерей мышечной массы. Успех терапии пока не подтвержден научным сообществом.
Глава одной из частных исследовательских компаний по биотехнологиям Элизабет Пэрриш (Elizabeth Parrish) заявила, что она добровольно подверглась экспериментальной генной терапии, которая направлена на борьбу с двумя самыми известными факторами старения: укорачиванием теломер и потерей мышечной массы. Успех терапии пока не подтвержден научным сообществом. (Фото: выступление Пэрриш на TEDxOxford, Youtube)

Одним из решений может быть теломерная терапия (telomere therapy). Направленная только на стволовые клетки, она могла бы помочь другим клеткам обновляться и при этом не вызывать рак. Частные исследовательские центры совместно с учеными университетов также разрабатывают генную терапию теломеразы для лечения патологий, связанных с укорачиванием теломер, и со старением [28], [29].

Фото:«Альпина Паблишер»
Футурология «Против часовой стрелки»: как биологи пытаются найти таблетку от старости

Доктор медицинских наук Татьяна Бродовская отмечает, что ученые пока не уверены, можно ли увеличить продолжительность жизни, сохраняя или восстанавливая длину теломер с помощью теломеразы. Но они уже провели эксперименты с теломеразой, в которых человеческие клетки делились далеко за пределами своего нормального предела, и при этом не становились раковыми.

Если человечество сможет использовать теломеразу для удлинения жизни клеток, это дало бы возможность массово производить клетки для трансплантации — в том числе клетки, продуцирующие инсулин для лечения диабета, мышечные клетки для лечения мышечной дистрофии, хрящевые клетки для некоторых видов артрита и клетки кожи для заживления сильных ожогов и ран. Неограниченный запас нормальных человеческих клеток, выращенных в лаборатории, также мог бы помочь тестировать новые лекарства и в генной терапии.

Обновлено 20.09.2022
Главная Лента Подписаться Поделиться
Закрыть