Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

А вот если мутация приведет к тому, что какая-то клетка окажется жизнеспособнее своих соседок, это уже шаг к возможному развитию рака. Последствия могут оказаться очень серьезными. Так, в одних только США ежегодно диагностируется свыше 75 тысяч новых случаев меланомы. От соответствующего заболевания в стране умирает около 10 тысяч человек в год14. При этом слишком долгое пребывание под воздействием ультрафиолетового излучения — один из существенных факторов риска. С эволюционной точки зрения мутации в яйцеклетках или сперматозоидах оказались бы еще зловреднее, поскольку могли бы передаваться потомству.

Если представить себе, что наш геном постоянно подвергается атакам, можно заключить, что изоляционная теория мусорной ДНК обладает явными преимуществами. Ведь если у нас только одна из каждых 50 пар нуклеотидных оснований важна для создания белков, поскольку остальные 49 пар — просто мусор, тогда есть лишь один шанс из 50, что вредоносный раздражитель, который обрушивается на молекулу ДНК, попадет по важному для нас участку.

Картина вполне согласуется с содержанием в нашем геноме такого большого количества мусорной ДНК по сравнению с менее сложными видами — скажем, червем или дрожжами (см. рис. 3.1). Жизненный цикл червей и дрожжей короче нашего. Кроме того, они способны давать большое количество потомства. Соотношение цена/результат для них иное, чем для таких видов, как человек. Людям требуется длительное время для того, чтобы породить потомство, и число потомков у человека невелико. Вероятно, червям и дрожжам незачем прилагать такие большие усилия для защиты генов, кодирующих белки. Даже если несколько их отпрысков будут нести в себе мутации, делающие их менее приспособленными к среде, где они обитают, у большинства потомков наверняка все будет отлично. А вот если вам предоставлено всего несколько попыток передать свой генетический материал следующему поколению, защита этих важных генов, кодирующих белки, с точки зрения эволюции приобретает смысл.

Природа, как мы уже видели, имеет в высшей степени адаптивный характер. Хотя изоляционная теория кажется вполне разумной, все-таки возникают кое-какие вопросы. Действительно ли роль мусорной ДНК сводится лишь к тому, чтобы служить защитой, изоляцией? И откуда вообще взялся весь этот изолирующий материал?

Глава 4. Засидевшиеся гости

Каждый британский школьник знает эту дату — 1066. В тот год Вильгельм Завоеватель вместе со своими войсками вторгся в Англию из Нормандии (сегодня это часть Франции). И это не был просто какой-то мимолетный набег. Захватчики остались в завоеванных землях надолго, перевезли на новые берега свои семейства. Росло их количество, а также их влияние. В конце концов они ассимилировались, став неотъемлемой частью английского политического, культурного, социального и языкового ландшафта.

Каждый американский школьник знает другую дату — 1620. В этом году корабль «Мэйфлауэр» бросил якорь близ полуострова Кейп-Код, положив начало мощнейшей волне миграции из Европы в Северную Америку. Подобно норманнам в Британии полутысячелетием раньше, эти первые поселенцы быстро увеличили свою численность, навсегда изменив североамериканский ландшафт.

Похожее событие произошло с человеческим геномом много тысяч лет назад. В него вторглись чужеродные элементы ДНК. Вскоре их число необычайно возросло. В конце концов они стали стабильными, неотъемлемыми компонентами нашего генетического наследия. Эти чужеродные элементы — своего рода «окаменелости» нашего генома, хранящие в себе летопись прошлого, которую можно сравнивать с аналогичными летописями других видов. Кроме того, эти элементы влияют на функционирование наших генов, кодирующих белки, на наше здоровье и болезни.

Хотя они способны оказывать воздействие на экспрессию генов, кодирующих белки, эти чужеродные элементы сами не кодируют белки. А значит, относятся к категории мусорной ДНК.

После публикации черновой расшифровки человеческого генома ученые с немалым изумлением осознали, насколько широко успели распространиться по нашей ДНК эти генетические гости, явившиеся без приглашения1. Более 40% генома человека состоит из таких паразитических компонентов. Они называются рассеянными повторяющимися элементами. Их можно разбить на четыре основных класса[6]. Как и показывает их название, это участки ДНК, на которых повторяются определенные последовательности. Впечатляют уже сами цифры: в геноме человека больше 4 миллионов таких рассеянных повторяющихся элементов. Лишь один из классов встречается по всему геному 850 тысяч раз, составляя в общей сложности свыше 20% нашей ДНК.

Большинство из этих последовательностей когда-то в прошлом сумели найти способы увеличивать свою численность в геноме. Часто они подражали действию определенных типов вирусов (похожих на вирус, вызывающий СПИД). Это упрощенно показано на рис. 4.1. Возник особый механизм, благодаря которому находящаяся в клетке ДНК-последовательность может вновь и вновь копироваться и затем встраиваться обратно в геном. Получается цикл, приводящий к тому, что повторяющиеся последовательности увеличивают свою численность быстрее, чем остальные участки генома.

В каком-то смысле эти повторы подвергаются в геноме подобию компьютерной процедуры «скопировать и вставить». Это-то и позволило им распространиться по всем нашим хромосомам.

Вследствие таких процессов непропорционального роста численности в нашем геноме имеется несметное количество этих элементов. Вопрос в том, действительно ли это важно. Оказывают ли эти последовательности какое-то воздействие? Или это просто пассажиры генома, не влияющие на нас ни положительно, ни отрицательно?

Рис. 4.1. Единичный элемент ДНК при копировании порождает множество РНК-копий. В ходе не совсем обычного процесса эти молекулы РНК могут копироваться обратно в ДНК, вновь встраиваясь в геном. Это увеличивает число таких элементов. На ранних этапах эволюции такое могло случаться много раз, но здесь для ясности показан лишь однократный процесс.

К этому вопросу можно подходить по-разному. Большинство повторов — очень старые по эволюционным меркам. Сравнение с другими животными показывает, что основная часть повторов возникла еще до того, как плацентарные отделились от других животных, то есть более 125 миллионов лет назад. По крайней мере в одном классе повторов мы не получали никаких новых вставок в геном с тех пор, как отделились от нечеловекообразных обезьян Старого Света примерно 25 миллионов лет назад. Так что, вероятно, количество повторов в геноме человека (точнее, эволюционных предков человека) невероятно возросло еще в далеком прошлом. После этого цифры не претерпевали значительного роста. Возможно, это означает, что существует какой-то верхний предел количества таких повторов, которое мы в состоянии выдержать. Но они, судя по всему, выводятся из генома очень медленно. Это, в свою очередь, наводит на мысль, что до тех пор, пока количество повторов ниже порогового значения, мы вполне можем с ними уживаться.

Однако, похоже, человеческий геном справляется с такими повторами несколько иначе, чем другие виды. У млекопитающих, как правило, более разнообразный спектр определенных повторов, чем у иных видов. Но у млекопитающих в основе этих повторов лежат очень древние последовательности, которые находились в геноме очень долгое время. В других организмах некоторая доля старых повторов вычищалась, и новые занимали их место. Авторы черновой расшифровки человеческого генома подсчитали, что у дрозофилы нефункциональный компонент ДНК имеет «период полураспада« примерно в 12 миллионов лет. Для млекопитающих этот показатель составляет около 800 миллионов лет.

Но даже среди млекопитающих человек выделяется. Число повторяющихся элементов в эволюционной ветви гоминид и их ближайших предков падало с тех времен, как количество видов млекопитающих стало увеличиваться. С грызунами такого не происходило. Кроме того, основная часть повторов в человеческом геноме больше не подвергается процедуре «скопировать и вставить». В сущности, сейчас повторы активнее у грызунов, чем у приматов.

Возможно, следствием этого является то, что повторы приносят грызунам больше проблем, чем человеку. Если повторы в геноме копируются, они могут затем встраиваться в работоспособные гены, кодирующие белки (или рядом с ними), тем самым мешая нормальной работе этих генов. В некоторых случаях они способны препятствовать экспрессии нужного гена, в других случаях — вызвать усиление его экспрессии. Для мышей встраивание повторяющихся последовательностей в новые области генома приводит к возникновению новых генетических заболеваний с вероятностью, в 60 раз превышающую аналогичную вероятность для человеческих клеток. Для мышей такие процессы становятся причиной 10% всех новых генетических мутаций, тогда как для человека этот показатель составляет одну шестисотую. Похоже, наш геном находится под более строгим контролем, чем у грызунов — наших дальних родичей.

Опасное повторение

Возможно, это даже хорошо. Рассмотрим некоторые последствия, которые приносит грызунам действие мутационного механизма такого типа. Существует генетическая линия мышей, у которых такая мутация приводит к отсутствию хвоста. Проблема сама по себе невеликая, но при этом еще и не развиваются почки, а это уже очень скверно2. Дело в том, что встраивание повторяющейся последовательности в данном случае приводит к чрезмерной экспрессии одного из близлежащих генов. У другой линии мышей такая вставка отключает один из важных генов, регулирующих центральную нервную систему. В результате животные во время опытов испытывают спазмы, а кроме того, живут всего две недели3.

К похожему выводу о потенциальном воздействии подобных повторов можно прийти, анализируя противоположное явление, то есть рассматривая области генома, где эти повторы практически никогда не встречаются.

Существует группа генов, именуемая Hox-кластером. Они играют важнейшую роль, ибо управляют развитием сложных многоклеточных организмов. В ходе развития организма гены кластера включаются в определенном порядке, и их экспрессия жестко регулируется. Если порядок включения нарушится, это может привести к тяжелым и далеко идущим последствиям. Важность Hox-кластера впервые показали на примере дрозофил. У мушек с мутациями в этих генах развились необыкновенные свойства. К примеру, на голове у них вместо антенн появляется пара ног (самый известный пример)4.

Подобно мухам, млекопитающие также полагаются на правильную картину экспрессии Hox-генов, нужным образом формирующую строение тела. У человека мутации в Hox-кластере довольно редки — вероятно, благодаря тому, что эти гены играют такую важную роль. Однако ученые показали, что мутация хотя бы в одном Hox-гене приводит к возникновению дефектов конечностей5.

Hox-кластер — одно из немногих мест человеческого генома, где почти нет рассеянных повторяющихся элементов. Это позволяет предположить, что даже сравнительно безобидные генетические гости способны влиять на экспрессию генов и что эволюция позаботилась о том, чтобы они не очень-то вольничали в определенных областях генома. Удалось выяснить, что Hox-кластер также почти свободен от таких повторов у других приматов и у грызунов.

Наличие в геноме рассеянных повторов может приводить к неожиданным последствиям. Один из необычных классов повторов называется ЭРВ (эндогенными ретровирусами). ВИЧ (вирус иммунодефицита человека, вызывающий СПИД) — как раз пример ретровируса. Генетический материал таких вирусов состоит из РНК, а не из ДНК. Вирусная РНК копируется для образования ДНК, которая затем может встраиваться в геном организма-хозяина. Этот геном воспринимает такую ДНК как свою собственную, производя новые вирусные компоненты и, в конечном счете, новые вирусы.

Давным-давно, на заре нашей эволюционной истории, какие-то ретровирусы прижились в геномах наших эволюционных предков. Многие из них теперь представляют собой «геномные окаменелости». Какие-то части ретровирусных последовательностей оказались утраченными, а значит, эти последовательности уже больше не могли производить вирусные частицы. Однако некоторые по-прежнему содержат в себе все компоненты, необходимые для создания новых вирусов. Обычно клетка держит их под строгим контролем6. Кроме того, ученые обнаружили, что иммунная система не только борется с вирусами, которые заражают нас, проникая извне. Она играет роль и в контролировании эндогенных вирусов. Генетически модифицированные мыши, которых сознательно лишили определенных компонентов нормальной иммунной системы, испытывают целый ряд проблем из-за того, что эти вирусы, таящиеся в их собственных геномах, вновь активизируются7.

Возможно, изучение процессов контроля эндогенных ретро-вирусов поможет справиться с одной давней проблемой здравоохранения. Каждый год тысячи людей умирают, не дождавшись органов для пересадки. Дело в том, что доноров вечно не хватает. Так, примерно треть пациентов, чью жизнь удалось бы спасти с помощью пересадки сердца, умирает, так и не получив нужного донорского органа8.

А если использовать сердца животных? Такой процесс называется ксенотрансплантацией (от греческого слова, означающего «чужеродный»). Для пересадки сердца лучше всего подходит свинья: ее сердце примерно такого же размера и мышечной силы, как и аналогичный орган человека.

Конечно, придется преодолеть массу технических сложностей (не говоря уж об этических: некоторые религиозные группы могут воспротивиться такому использованию свиньи, «нечистого животного»)9. Чтобы справиться с какими-то из этих трудностей, сейчас выращивают генетически модифицированных свиней, которые не вызывают слишком уж активной иммунной реакции, возникающей, когда в сердечно-сосудистую систему человека вводят свиные клетки. Но тут возможна и другая проблема. Геном свиньи, как и геном человека, содержит эндогенные ретровирусы. Однако эндогенные ретровирусы свиньи отличаются от ЭРВ человека. Работы, проведенные еще в конце XX века, показали: некоторые из этих свиных ретровирусов в определенных условиях способны заражать человеческие клетки10.

Вот один из возможных сценариев, беспокоящий некоторых ученых. Любой пациент, которому пересадят сердце свиньи, будет неизбежно получать препараты, подавляющие иммунитет, чтобы предотвратить отторжение чужеродного органа. Реактивация эндогенных ретровирусов более вероятна как раз в тех случаях, когда иммунитет человека подавлен. Системы человеческого организма в ходе эволюции приобрели способность контролировать эндогенные ретровирусы, которые находились в нашем геноме с тех пор, как человек возник. Однако этих систем может оказаться недостаточно для того, чтобы столь же эффективно контролировать ЭРВ, таящиеся в геноме свиньи. Теоретически это может означать, что эндогенные ретровирусы способны в один прекрасный момент вырваться из пересаженного свиного сердца, атаковать другие клетки реципиента-человека и вторгнуться в них. После чего, быть может, они даже начнут размножаться, захватывая все новые участки организма.

Более поздние исследования позволяют предположить, что этот риск, возможно, преувеличивали ученые прошлого11, однако речь все равно идет об участке мусорной ДНК, требующем тщательного контроля при ксенотрансплантации (если эта процедура вообще когда-нибудь станет реальностью).

Другие повторяющиеся последовательности, включенные в геном, могут негативно влиять на здоровье более непосредственным образом. В геноме есть области, где большие фрагменты, иногда длиной в сотни тысяч пар нуклеотидных оснований, в ходе эволюции человека сравнительно недавно претерпели удвоение. «Оригинал» и «дубликат» могут в итоге оказаться в очень далеких друг от друга частях генома, даже в разных хромосомах.

Такие области способны вызывать неприятности при формировании яйцеклеток или сперматозоидов. В их формировании есть одна весьма важная стадия, когда хромосомы подвергаются процессу так называемого кроссинговера (перекреста хромосом). Хромосома, наследуемая вами от матери, «спаривается» с аналогичной хромосомой вашего отца, и затем они обмениваются друг с другом фрагментами ДНК. Это один из способов увеличить вариативность генофонда, перемешивая комбинации генов. Если в геноме есть два участка, выглядящие весьма схоже из-за повторяющихся последовательностей, но все же не представляющие собой «настоящую» хромосомную пару, такой кроссинговер может происходить между областями генома, которые не предназначены для обмена генетическим материалом. В результате могут появиться яйцеклетки или сперматозоиды, у которых имеются лишние участки ДНК или не хватает важнейших участков12.

У тех, кто наследует такие геномные дефекты, могут возникать особого рода заболевания. Одним из примеров является болезнь Шарко-Мари-Тута, при которой наблюдаются дефекты нервов, передающих ощущения и контролирующих двигательные функции13. Другой пример — синдром Вильямса-Бойрена, который характеризуется отставанием в развитии, относительно небольшим ростом пациента, целым рядом необычных поведенческих черт в сочетании со слабо выраженной неспособностью к обучению и дальнозоркостью14.

Удвоенные области генома, вызывающие проблемы при кроссинговере, часто содержат множество генов, кодирующих белки. Поэтому неудивительно, что у пациентов, страдающих от последствий аномального перекреста хромосом, зачастую столь сложный набор симптомов. Изменение количества этих многочисленных генов с высокой вероятностью затронет не один физиологический путь, а несколько.

Может показаться странным, что эти удвоенные области сохранились на протяжении эволюции человека, ведь они порождают такие серьезные проблемы. На самом-то деле клетки, формирующие яйцеклетки и сперматозоиды, обычно справляются со своей работой хорошо и не смешивают те части хромосом, которые смешивать не надо. Более этого, удвоения позволяют человеческому геному довольно быстро (по эволюционным меркам) увеличивать количество определенных генов. Это весьма полезная способность. «Запасная» копия может выступать в роли «сырья» для эволюционной адаптации. Несколько изменений в нуклеотидной последовательности гена, кодирующего белок, могут привести к созданию белка, функция которого отличается от функции белка-«оригинала», хотя и схожа с ней. Вероятно, именно так возникло обширное семейство генов, которые позволяют млекопитающим распознавать широчайший диапазон различных запахов15. Это еще один пример своеобразной бережливости, присущей геному человека. Наш геном предпочитает приспособить к выполнению новых задач уже существующие гены и белки, а не создавать их с нуля. Геном любит варианты типа «два в одном» или «два по цене одного».

Путь от вины до невиновности лежит через мусорную ДНК

Большинство повторяющихся последовательностей мусорной ДНК, которые мы рассматривали в этой главе, состоят из довольно больших единичных фрагментов. Обычно их длина — не менее сотни пар нуклеотидных оснований, а часто и гораздо больше. Отчасти именно поэтому они занимают такую значительную долю генома. Но существуют другие мусорные повторяющиеся последовательности — из элементов значительно меньших размеров. Их повторяющиеся элементы состоят всего из нескольких пар нуклеотидов. Это так называемые простые повторяющиеся последовательности. Мы уже встречались с их примерами, описывая синдром ломкой X-хромосомы, атаксию Фридрейха и миотоническую дистрофию. Последовательность из трех пар нуклеотидных оснований повторяется неоднократно, достигая максимума у пациентов, страдающих соответствующим заболеванием.

Повторы коротких мотивов занимают в общей сложности примерно 3% генома человека. Такие повторы у разных людей весьма различны. Рассмотрим повтор двух пар нуклеотидных оснований: скажем, ГТ. Допустим, этот повтор занимает определенную позицию в шестой хромосоме. Я мог унаследовать 8 его копий (последовательность ГТГТГТГТГТГТГТГТ) в шестой хромосоме, полученной от матери, и 7 копий в шестой хромосоме, полученной от отца. А вы могли унаследовать 10 копий от вашей матери и 4 — от вашего отца.

Оказывается, эти простые повторы необычайно полезны. Они встречаются по всему геному, сильно различаются у разных людей (для каждой позиции, которую они занимают в геноме). Кроме того, их легко обнаружить с помощью дешевых и чувствительных методов.

Благодаря таким характеристикам подобные повторы теперь применяются при ДНК-идентификации (своего рода «ДНК-дактилоскопии»). В ходе этого процесса образцы крови или биологических тканей можно однозначно привязать к конкретному человеку. Это облегчило процедуру установления отцовства и произвело настоящую революцию в криминалистике. Стало возможным сравнительно легко идентифицировать жертв массовых убийств, осуждать виновных и реабилитировать невиновных, а ведь бывало, что человек, не совершавший преступления, десятилетиями томился в тюрьме. В США более 300 человек удалось освободить после того, как ДНК-анализ засвидетельствовал их невиновность. Около 20% из них на том или ином этапе заключения ожидали смертной казни16. Кроме того, примерно в половине этих случаев ДНК-улики позволили узнать, кто же на самом деле виновен.

А вы говорите — мусор.

Глава 5. Мы стареем, и у нас все съеживается

Фильм «Поменяться местами» (1983) с Дэном Эйкройдом, Эдди Мёрфи и Джейми Ли Кёртис в год своего выхода наделал много шума, собрав в американском прокате больше 90 миллионов долларов1. Это комедия с хитро закрученной интригой. В основе сюжета лежит, в сущности, исследование того, как на человека влияют его гены, а как — среда, в которой он находится. Почему человек добивается успеха — благодаря врожденным талантам или же из-за особенностей среды, в которую помещен? Создатели фильма явно склоняются ко второму варианту ответа.

Что-то похожее происходит и в наших геномах. Отдельный ген может играть сравнительно невинную роль. Благодаря ему определенный белок будет вырабатываться со строго определенной скоростью. И одним из важнейших факторов, контролирующих количество синтезируемого белка, является положение гена в хромосоме.

А теперь представим себе, что этот ген перенесли в новое окружение — подобно тому, как герой Дэна Эйкройда оказывается в трущобах, а персонаж Эдди Мёрфи — в богатом особняке. В новой среде наш перемещенный ген окружен новой для него геномной информацией, которая призывает его вырабатывать гораздо более высокие дозы белка. А повышенное содержание белка, в свою очередь, побуждает клетку расти и делиться быстрее, чем обычно. Это может стать началом развития рака. В самом гене ничего плохого нет, он просто в неподходящее время очутился в неподходящем месте.

Причина этого процесса — одновременный разрыв двух хромосом в одной клетке. Когда хромосома разрывается, клеточная «ремонтная аппаратура» тут же находит место разрыва и снова сшивает два куска. Обычно такой ремонт протекает довольно гладко. Но если в одно и то же время разорвутся две хромосомы (или больше), могут возникнуть проблемы. Концы хромосом могут оказаться связанными не так, как нужно (см. рис. 5.1). В результате хороший ген может оказаться в дурном обществе и стать причиной неполадок. Особенно это важно из-за того, что перекроенные таким путем хромосомы передаются всем последующим поколениям этой клетки. Возможно, самый известный пример здесь — разновидность рака крови человека, именуемая лимфомой Бёркитта. Реаранжировка здесь происходит между восьмой и четырнадцатой хромосомой. Это приводит к очень сильной сверхэкспрессии гена[7], что побуждает клетку размножаться самым агрессивным образом2.

Рис. 5.1. Вверху: одиночная хромосома претерпевает разрыв. Клеточная аппаратура чинит ее. Внизу: две хромосомы разрываются одновременно. Клеточная аппаратура может не суметь разобраться, какой хромосоме принадлежат куски. Хромосомы могут оказаться сшитыми неправильно. Так возникают гибридные хромосомные структуры.

К счастью, разрыв двух хромосом, судя по всему, довольно редко происходит одновременно. Чаще они разрываются с некоторым интервалом во времени. Поэтому клеточная аппаратура для ремонта ДНК научилась в процессе эволюции действовать весьма стремительно. В конце концов, чем быстрее она справится с разрывом, тем ниже вероятность, что в клетке одновременно будут иметь место два разрыва (или больше). Аппаратура для ремонта ДНК приходит в действие, как только клетка обнаруживает, что в ней имеется оторванный кусок ДНК. У клетки есть специальные механизмы, позволяющие ей обнаружить конец такого куска — место разрыва.

Но это порождает целый ряд новых проблем. Наша клетка содержит 46 хромосом, и все они линейны. Иными словами, в каждой нашей клетке всегда есть 92 конца хромосом (ибо у хромосомы два конца). Ремонтная аппаратура должна уметь как-то отличать совершенно нормальные концы хромосом от аномальных, появившихся в результате разрывов.

Шнурки ДНК

Для этого клетки обзавелись особыми структурами на нормальных концах хромосом. Вы носите обувь на шнуровке? Если да, то взгляните-ка на свои шнурки. На каждом конце у них небольшой колпачок из металла или пластмассы — наконечник, который мешает шнурку расплестись и растрепаться. У наших хромосом тоже есть наконечники. Эти штуковины чрезвычайно важны для поддержания целостности генома.

Хромосомные наконечники называются теломерами. Они построены из одной формы мусорной ДНК, много лет известной ученым, и комплексов различных белков. Теломерная ДНК составлена из многократных повторов одной и той же последовательности 6 пар нуклеотидов — ТТАГГГ3. На концах у каждой хромосомы, содержащейся в пуповинной крови новорожденного, имеется в среднем примерно по 10 тысяч таких нуклеотидных пар4.

Теломерная ДНК помещена в своего рода каркас из белковых комплексов, помогающих ей поддерживать структурную целостность. Термин «теломера» относится как раз к этой комбинации определенной мусорной ДНК и связанных с ней белков. Еще в 2007 году важность этих белков убедительно продемонстрировали исследователи, ставившие опыты на мышах. Они подавили экспрессию одного из таких белков, полностью деактивировав соответствующий ген, и обнаружили, что получавшиеся при этом мышиные эмбрионы гибнут уже на ранних стадиях развития[8].

Исследуя хромосомы таких генетически модифицированных мышей, ученые обнаружили, что многие хромосомы оказались сшитыми друге другом. Иными словами, они соединились концами. Дело в том, что клеточная аппаратура для ремонта ДНК утратила способность опознавать теломеры. Она сочла, что имеет дело с кучей разорванных хромосом, и выполнила работу, которую выполняет лучше всего, то есть просто сшила их. К сожалению, при этом экспрессия генов пришла в полный хаос. В конце концов функционирование хромосом и самих клеток настолько сильно нарушилось, что это привело к одной из разновидностей клеточного самоубийства[9], полностью остановив развитие организма.

Еще одно свойство теломер представляет большой интерес с точки зрения биологии и человеческого здоровья. Еще в 1960-е годы специалисты изучали, как клетки делятся в лабораторных условиях. Ученые не работали с линиями раковых клеток, поскольку те происходят от клеток, которые стали бессмертными из-за аномальных изменений. Вместо этого они изучали фибробласты — одну из разновидностей клеток, имеющуюся в целом ряде тканей человеческого организма. Фибробласты вырабатывают так называемый внеклеточный матрикс — что-то вроде толстых пастообразных обоев, которые удерживают клетки на месте. Довольно легко сделать биопсию (скажем, кожи) и выделить фибробласты. Они будут расти и делиться, образуя культуру клеток. Таким путем ученые еще довольно давно установили, что клетки в общем-то не могут делиться вечно. Рано или поздно наступает момент, когда они прекращают деление, даже если их по-прежнему снабжают всеми необходимыми питательными веществами и кислородом. Клетки не умирают, они просто перестают размножаться. Это так называемое клеточное старение5.

Позже ученые выяснили, что теломеры укорачиваются с каждым делением клетки. Всякий раз, когда одна из клеток делится, ДНК, содержащаяся в ней, копируется. Благодаря этому обе дочерние клетки наследуют 46 хромосом материнской клетки. Однако система, копирующая ДНК в хромосомах, не может добраться до самых их концов. Поэтому новые и новые циклы клеточного деления приводят к тому, что теломеры становятся всё короче и короче6.

Впрочем, это не доказывало, что укорачивание теломер — действительно причина старения клеток. Нельзя было исключить, что подобное воздействие на длину теломер служит своего рода маркером, регулирующим процесс размножения клеток, однако не играет особой роли в изменениях их поведения.

Речь идет об очень важном принципе научных исследований. Во многих ситуациях мы видим корреляцию между какими-то двумя явлениями, но из этого еще не следует, что между ними существует реальная взаимосвязь. Вот один пример. Существует четкая взаимосвязь между развитием рака легких и сосанием леденцов от кашля. Разумеется, из этого не вытекает, что сосание леденцов от кашля вызывает рак легких. Просто для многих людей один из первых симптомов рака легких — постоянный кашель. А человек, страдающий от такого кашля, наверняка будет пытаться облегчить свое положение при помощи леденцов.

Подтверждение того, что укорачивание теломер действительно приводит к клеточному старению, появилось в 1990-е годы. Ученые показали: увеличивая длину теломер в фибробластах, можно добиться того, что клетки перестанут стареть и будут жить практически вечно7.

Теперь общепризнано, что теломеры действуют как своего рода молекулярные часы, ведущие обратный отсчет по мере нашего взросления. Пока еще не все детали ясны. В этой области биологам непросто вести исследования — по целому ряду причин. Начнем с того, что в любой клетке 92 теломерных участка (по одному на каждый конец каждой хромосомы) имеют неодинаковую длину. Поэтому трудно задать какие-то стандарты длины теломеры, применимые по всей клетке, не говоря уж о стандартах, применимых для всего организма человека8. Кроме того, при исследовании взаимосвязей теломер и старения очень трудно использовать излюбленное модельное животное ученых — мышь. Дело в том, что у грызунов чрезвычайно длинные теломеры, гораздо длиннее человеческих. Как известно, средняя продолжительность жизни у грызунов гораздо меньше, чем у человека. А значит, длина теломер, по-видимому, не единственный определяющий фактор старения. Однако результаты многолетних исследований говорят: у человека теломеры играют весьма важную роль.

Забота о шнурках

Мы точно знаем одно: наши клетки не сдаются процессу старения без боя. У них есть механизмы, при помощи которых они пытаются дольше сохранять теломеры длинными и нетронутыми. Именно поэтому наши клетки проявляют так называемую теломеразную активность. Теломеразная система добавляет новые ТТАГГГ-мотивы на концы хромосом, по сути, восстанавливая важные участки мусорной ДНК, которые утрачиваются при делении клеток. Теломеразная активность требует двух компонентов. Во-первых, требуется особый фермент (теломераза), который пристраивает необходимые повторяющиеся последовательности к концам хромосом. Во-вторых, требуется кусок РНК, определенная последовательность, которая служит матрицей для фермента, чтобы тот добавлял к хромосомам нужные нуклеотидные основания.

Итак, концевые участки наших хромосом в значительной степени полагаются на мусорную ДНК, геномный материал, не кодирующий белки. Сами по себе теломеры можно счесть генетическим мусором. Чтобы поддерживать их существование, клетка использует ген, который служит для выработки РНК, однако никогда не используется как матрица для синтеза белка. Причем РНК сама по себе — молекула, выполняющая жизненно важные функции в человеческом организме[10],9.

Но если наши клетки снабжены механизмом для поддержания длины теломер (при помощи теломеразной системы), почему же теломеры все-таки постепенно укорачиваются? Почему эта система не работает как надо, что в ней не так?

Возможно, причина коренится в том факте, что существует вообще очень мало биологических систем, способных хорошо работать без контроля. Теломеразная активность в наших клетках подвергается весьма жесткому контролю. Патологическое исключение — раковые клетки. Зачастую они в результате адаптации проявляют высокую теломеразную активность и имеют удлиненные теломеры. Это один из факторов, приводящих к агрессивному росту и чрезмерному размножению клеток многих злокачественных опухолей. Вероятно, наши клеточные системы достигли своего рода эволюционного компромисса. Длина теломер поддерживается на уровне, необходимом для того, чтобы мы прожили достаточно долго и успели размножиться (а дальше уже неважно, если рассуждать с точки зрения эволюции). Однако теломеры не слишком длинны: при чрезмерной их протяженности люди массово умирали бы от рака уже в раннем возрасте.

Базовая длина теломеры для конкретного человека задается на сравнительно раннем этапе его развития, в тот момент, когда происходит так называемый нехарактерный всплеск теломеразной активности10. Теломеразная активность также высока в зародышевых (половых) клетках, которые порождают яйцеклетки и сперматозоиды11. Оно и понятно: наше потомство должно унаследовать от нас теломеры приличной длины.

Во многих тканях человеческого организма содержатся так называемые стволовые клетки. При необходимости они производят замену для клеток. Когда требуются новые клетки, стволовая клетка копирует свою ДНК и затем распределяет ее между двумя дочерними клетками. Одна из этих дочерних клеток обычно в ходе своего развития становится полнофункциональной клеткой-заменой, а другая — новой стволовой клеткой, которая точно таким же образом может создавать замены.

Среди наиболее «занятых» разновидностей клеток человеческого организма — тип стволовых клеток, порождающий все клетки крови[11], в том числе красные кровяные тельца (эритроциты) и те клетки, которые борются с инфекцией. Такие стволовые клетки размножаются с невероятной скоростью. Это происходит из-за того, что нам постоянно требуется восполнять запас иммунных клеток, противостоящих инородным патогенам, которые встречаются нам каждый день. Нужно постоянно пополнять и запас красных кровяных телец: их средняя продолжительность жизни невелика — примерно 4 месяца. Человеческий организм каждую секунду вырабатывает примерно по 2 миллиона эритроцитов12: фантастическая производительность. Для этого требуется чрезвычайно активная популяция стволовых клеток, практически постоянно находящаяся в состоянии деления. Теломеразная активность в этих стволовых клетках повышена, но в конце концов и они страдают от укорачивания теломер13,14. Вот почему пожилые люди сильнее подвержены риску инфекций, чем более молодые взрослые. В сущности, у стариков просто становится всё меньше иммунных клеток. В этом одна из причин, по которым онкологические заболевания так распространены среди пожилых людей. Обычно наша иммунная система хорошо справляется с разрушением аномальных клеток, но эффективность отслеживания нарушений падает по мере уменьшения числа стволовых клеток.

Почему же все-таки длина наших теломер так важна? Это ведь всего-навсего мусорная ДНК. Какая разница, сколько будет копий некодирующего фрагмента ТТАГГГ — несколько тысяч или всего несколько сотен? По-видимому, проблема здесь заключается во взаимосвязи между ДНК теломер и белковыми комплексами, которые соединены с этой ДНК. Если количество повторов теломерной ДНК-последовательности уменьшится, перейдя за критический уровень, конец хромосомы не сможет связываться с достаточным количеством защитных белков. Мы уже видели, к чему приводит нехватка таких белков у мышей: в частности, бедняги могут умирать еще до рождения.

Ну да, это крайний случай. Однако нет никаких сомнений: жизненно необходимо, чтобы теломеры обладали достаточной длиной, позволяющей им связываться с большим количеством защитных белковых комплексов. Мы знаем, что для человека это верно так же, как и для мыши. Оказалось, что существуют люди, унаследовавшие мутации определенных ключевых компонентов систем организма, которые поддерживают нужную длину теломер. Наблюдаемые эффекты не столь разительны, как у генетически модифицированных мышей, но это лишь потому, что эмбрионы, серьезно затронутые такими мутациями, обычно гибнут еще в утробе матери. Однако те мутации, о которых нам известно, приводят к возникновению симптомов заболеваний, связанных с возрастом.

Теломеры и болезни

Речь идет о заболеваниях, причиной которых служат главным образом мутации теломеразного гена, или гена, кодирующего РНК-матрицу, или генов, кодирующих белки, которые защищают теломеры, или гена, который помогает теломеразной системе эффективно работать[12].

В сущности, мутации в любом из этих генов могут приводить к сходным эффектам. Главным образом они мешают клеткам поддерживать свои теломеры в нужном состоянии. Поэтому теломеры у пациентов с такими мутациями укорачиваются быстрее, чем у здоровых людей. Вот почему такие пациенты демонстрируют симптомы преждевременного старения. Такие заболевания называются теломерными синдромами человека15.

Врожденный дискератоз — редкое генетическое заболевание, поражающее примерно одного человека на миллион. Пациенты страдают от целого ряда проблем. На коже у них в непредсказуемых местах появляются темные пятна. Во рту возникают пятна белого цвета, которые могут приводить к развитию рака ротовой полости. Ногти на руках и на ногах становятся тонкими и хрупкими. А потом отказывают различные органы, и этот процесс кажется необратимым. Он начинается с дисфункции костного мозга и неполадок в легких. Общий риск возникновения онкологических заболеваний у них также повышен.

При исследовании нескольких семейств, которых коснулся этот недуг, ученые выяснили, что причина заболевания — мутации различных генов. В настоящее время выявлено по меньшей мере 8 таких мутантных генов. Вполне возможно, что на самом деле их еще больше16. Все эти гены обладают одним общим свойством: они участвуют в процессах поддержания нормального существования теломер. А значит, как бы ни искажалась эта область мусорной ДНК, симптомы все равно обычно будут схожи.

Совокупность легочных проблем, возникающих в таких случаях, называют пневмофиброзом. Для пациентов, страдающих этим заболеванием, характерно «короткое дыхание», они много кашляют, поскольку их организм не в состоянии с должной эффективностью выводить углекислый газ из легких и с должной легкостью наполнять их кислородом. Рассматривая их легкие под микроскопом, патологи увидели обширные области, где нормальную ткань заменила воспаленная и фиброзная, напоминающая по своей структуре шрам17.

Такая клиническая и патологическая картина легких довольно часто наблюдается при респираторных заболеваниях. Это побудило ученых обратиться к изучению проб биологического материала пациентов, страдающих идиопатическим пневмофиброзом. Слово «идиопатический» означает, что для заболевания пока не выявлено очевидной причины. Исследователи проверили, нет ли у этих пациентов дефектов генов, которые обеспечивают синтез веществ, защищающих теломеры. В среднем дефекты соответствующих генов удалось выявить почти у каждого шестого пациента, в семье которого страдали этим заболеванием, но мутаций прежде не обнаруживали18,19. Даже у пациентов, в семье которых, по-видимому, не страдали пневмофиброзом, мутации теломерных генов обнаружились в 1-3% случаев20,21. В США около 100 тысяч человек страдают идиопатическим пневмофиброзом, так что, по самым осторожным оценкам, примерно 15 тысяч из них, вероятно, заработали эту болезнь из-за того, что их организм не мог поддерживать тело-меры в нормальном состоянии.

Дефекты в механизме, который защищает теломеры, могут становиться причиной еще одного заболевания. Речь идет об апластической анемии — болезни, при которой костный мозг перестает вырабатывать достаточное количество клеток крови22. Это редкий недуг, им страдает примерно 1 человек на полмиллиона. И примерно у 1 из 20 больных наблюдаются мутации фермента теломеразы или соответствующей РНК-матрицы.

У некоторых таких больных могут одновременно наблюдаться и дефекты костного мозга, и дефекты легких, но одна из проблем, как правило, становится клинически очевидной раньше другой. При лечении это может приводить к незапланированным последствиям. Пересадка костного мозга — одна из методик лечения больных апластической анемией. Пациентам дают специальные препараты для профилактики отторжения нового костного мозга их иммунной системой. Некоторые из таких лекарств, как известно, токсичны для легких. Для большинства страдающих апластической анемией это, в общем-то, не проблема. Но для тех, кто имеет дефекты в теломеразной системе, такие медикаменты способны спровоцировать пневмофиброз, который может оказаться летальным23. Иными словами, лекарство в таких случаях может стать причиной смерти.

Существует не совсем обычная генетическая причина, по которой врачи не всегда понимают, что наблюдаемые у пациента симптомы — часть врожденной проблемы с теломерами. Теломеразный комплекс обычно особенно активен в половых клетках: как мы уже знаем, родители должны передавать своим отпрыскам длинные теломеры. Но в некоторых семьях, где наблюдаются мутации генов, кодирующих теломеразу, или мутации сопутствующего РНК-фактора, это не так. А значит, в таких случаях каждое новое поколение передает потомству всё более короткие теломеры. Поскольку симптомы болезни начинают проявляться, когда длина теломер становится меньше определенного значения, каждое следующее поколение рождается всё ближе и ближе к точке критического укорачивания теломер21.

Это приводит к довольно-таки серьезным последствиям. К примеру, дедушка обладает сравнительно длинными теломерами, и пневмофиброз у него развивается только в 60 с лишним. У его сына теломеры уже не такие длинные. Симптомы легочных неполадок проявляются у него в 40 с чем-то лет. А вот третье поколение может получить в наследство по-настоящему короткие теломеры. В результате у внуков проявится апластическая анемия уже в детстве.

Поскольку у старшего и среднего поколения соответствующие болезни возникают лишь в сравнительно позднем возрасте, внук может заболеть еще до того, как у его отца и деда проявятся опасные симптомы, и терапевт будет испытывать трудности при выявлении генетического заболевания в данном семействе. К тому же при более острой и менее острой форме болезни симптомы порой различны.

Эта странная картина, когда у старшего поколения симптомы проявляются слабее и в более позднем возрасте, чем у младшего поколения, чем-то напоминает характер наследования миотонической дистрофии, о котором мы говорили в главе 1. Речь идет о весьма необычном генетическом феномене, и поразительно, что в двух его самых ярких и отчетливых проявлениях эффект, в конечном счете, вызван изменением длины фрагмента мусорной ДНК.

Напрашивается вопрос: почему клетки некоторых тканей подвержены укорачиванию теломер больше других? Пока это не совсем ясно, однако появляются некоторые любопытные модели. Вероятно, активно размножающиеся клетки сильнее рискуют получить дефекты, приводящие к укорачиванию теломер. Классический пример — популяция стволовых клеток крови (мы уже обсуждали это выше). Если эти клетки испытывают трудности с поддержанием нужной длины теломер, то популяция стволовых клеток в конце концов истощится.

Похоже, это объяснение вполне подходит для апластической анемии. Но не для пневмофиброза. Ткань легких реплицируется довольно медленно, однако пневмофиброз распространен среди страдающих теломерными дефектами. Возможно, в клетках легких воздействия укороченных теломер сопряжены с другими факторами, влияющими на геном и функционирование клеток. Клетки эти развиваются сравнительно медленно, поэтому и соответствующие процессы идут не так уж быстро. Возможно, именно поэтому легочные симптомы обычно возникают позже, чем те, причиной которых становятся проблемы со стволовыми клетками крови.

Наши легкие при каждом вдохе подвергаются риску воздействия потенциально опасных веществ. Поэтому неудивительно, что они так отчаянно стараются выносить бремя дефектных теломер. Один из наиболее распространенных источников опасных вдыхаемых соединений — табак. Влияние курения на здоровье человека в мировом масштабе колоссально. По оценкам Всемирной организации здравоохранения около 6 миллионов человек ежегодно умирают из-за курения, причем полмиллиона из них — от воздействия курения вторичного25.

Ученые экспериментально исследовали влияние сигаретного дыма на организм. Они вырастили генетически модифицированных мышей с укороченными теломерами и затем подвергли самых разных мышей воздействию сигаретного дыма26. Результаты показаны на рис. 5.2. По сути, пневмофиброз развивался лишь у зверьков с укороченными теломерами, подвергавшихся воздействию табачного дыма.

Рис. 5.2. Для возникновения пневмофиброза у мышей требуется одновременное действие двух факторов: генетического дефекта и негативного влияния окружающей среды. У мышей с укороченными теломерами, не подвергающихся воздействию табачного дыма, пневмофиброз не развивается, как и у мышей с нормальными теломерами, которых подвергали воздействию дыма. Однако у мышей с укороченными теломерами, еще и подвергавшихся воздействию дыма, все-таки возникало это заболевание.

Разумеется, курение — не единственный фактор, влияющий на состояние здоровья человека, хотя отказ от курения — вероятно, самое разумное, что вы можете сделать для своего здоровья. Однако главный фактор, влияющий на здоровье жителей богатых стран, — это сам по себе возраст. Но так было не всегда. Нынешним положение вещей стало после того, как мы достигли впечатляющего прогресса — медицинского, фармакологического, социального, технологического — в борьбе с тем, что раньше обеспечивало нам преждевременную могилу, со всеми этими старомодными штуками вроде инфекционных заболеваний, младенческой смертности, недоедания.