В Швеции стартовала Нобелевская неделя: первыми объявлены лауреаты награды в области медицины и физиологии. Премия досталась ученым, исследовавшим механизм защиты хромосом от укорачивания в процессе постоянного копирования при делении клеток.

Новые лауреаты, слева направо: Элизабет Блэкберн (61 год), Кэрол Грайдер (48 лет), Джек Шостак (57 лет). Все трое – граждане США, хотя Блэкберн родилась в Австралии, а Шостак – в Великобритании


Хромосомы человека. Теломеры на их концах окрашены флуоресцентными метками


Теломераза – это комплекс белка (на схеме – серый) и РНК (желтая), на которой, как на матрице, синтезируется «отпавший» фрагмент на конце нити ДНК (зеленая)

Именно в работах этих ученых впервые было показано существование на концах хромосом таких важных структур, как теломеры, за синтез которых отвечают особые ферменты – теломеразы. Структуры эти играют важнейшую роль в процессе старения клетки, а затем – и ее гибели. Именно исследования Элизабет Блэкберн Elizabeth Blackburn), Кэрол Грайдер (Carol Greider) и Джека Шостака (Jack Szostak) привели к этим открытиям и решили проблему, озадачивавшую специалистов довольно долгое время.

Дело в том, что после открытия молекулярной структуры ДНК и механизмов ее копирования (репликации) оставалось неясным, как хромосомы после этого процесса остаются такими же, как и были. Механизм этот вовлекает целый ряд белков-ферментов. Одни из них расплетают двойную спираль ДНК, другие – удерживают в этом состоянии, третьи (ДНК-полимеразы) синтезируют на каждой нити спирали новую. Однако делают это они фрагментами, и для сшивания них тоже требуются специальные ферменты. При этом важно, что ДНК-полимеразы еще и неспособны работать «на самом краю» хромосомы, и при каждом удвоении – если установленный механизм справедлив – одна вновь синтезированная нить спирали ДНК должна неуклонно оставаться короче второй, «материнской». Однако механизм был установлен достоверно, но никакого укорочения хромосом не происходило.

Надежда разрешить загадку пришла в 1980 г., когда Элизабет Блэкберн показала, что на концах цепочек хромосом одноклеточного микроорганизма Tetrahymena имеются достаточно длинные повторяющиеся фрагменты – хотя пока неясного назначения. Продолжив работы совместно с Джеком Шостаком, они сумели продемонстрировать, что именно эти концевые фрагменты защищают хромосомы от укорочения в процессе репликации.

Интересно, что на эту мысль Шостака натолкнули его предыдущие эксперименты, в ходе которых он сумел искусственно синтезировать хромосомы и внедрить их в клетки дрожжей. Однако при каждом цикле клеточного деления (который, конечно, сопровождается удвоением ДНК) эти хромосомы неминуемо укорачивались на концах. Подсоединив на концы своих искусственных хромосом фрагменты, аналогичные тем, которые обнаружились у микроорганизма Tetrahymena , ученые показали, что они удваиваются нормально, без укорочения. Все сомнения отпали – и в 1982 г. Блэкберн и Шостак опубликовали работу, которая теперь принесла им Нобелевскую премию. Концевые фрагменты и получили название теломер .

Вскоре к делу подключилась и Кэрол Грайдер, тогда – еще студентка в лаборатории Элизабет Блэкберн. Именно она сумела показать, что в ходе копирования нити ДНК часть теломер теряется, а затем безболезненно восстанавливается, синтезируясь специальным ферментом – теломеразой . Это возможно потому, что в отличие от кодирующих белки последовательностей ДНК, теломеры состоят из одинаковых повторяющихся коротких фрагментов.

Тогда, в 1980-е открытие теломер показалось едва ли не откровением: как было показано, именно постепенная их деградация приводит к старению, а затем и смерти клеток с возрастом. Теломеры заканчиваются – и вскоре клетка погибает. Казалось бы, именно контроль над теломеразой скоро даст людям если не полное бессмертие, то небывало длинную жизнь. Это, конечно, оказалось не так-то просто. Зато открытие уже находит реальное применение в медицине.

Дело в том, что раковые клетки продуцируют избыточные количества теломеразы, что делает их почти «бессмертными» в сравнении с клетками нормальными, позволяя делиться без конца. И сегодня вовсю создаются новые лечения онкологических заболеваний, основанные на избирательном блокировании теломеразы и даже в виде вакцин, которые «учат» иммунную систему организма атаковать клетки, производящие избыток теломеразы. Такие методы уже находятся на стадии клинических испытаний.

Подробнее о биологических механизмах старения читайте в нашей статье « Мечты о бессмертии ».

По публикации New Scientist Health и пресс-релизу NobelPrize.Org