Наблюдая за культивированием фибробластов человека, Леонард Хейфлик, профессор анатомии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, обнаружил гибель культуры после 50 делений (1961 год). Совершая разнообразные манипуляции с клетками, замораживая, меняя среду культивирования, но они все равно «не забыли» сколько уже произошло делений и делились ровно столько раз сколько осталась до 50. Это явление — предел Хейфлика — дало основание считать, что в генах запрограммирована продолжительность жизни человека.
С целью объяснить результаты экспериментальных данных Леонарда Хейфлика, биолог-теоретик, cпециалист в области биологии старения Алексей Оловников, выдвинул теорию маргинотомии — отсчёта клеточных делений и старения вследствие недорепликации последовательностей ДНК на концах линейных хромосом (теломерных участков). Теория предполагала, что «нестарение» бактерий обусловлено кольцевой формой ДНК, а теломерные последовательности в стволовых и раковых клетках защищены благодаря постоянному — при каждом делении клетки — удлинению особым ферментом — тандем-ДНК-полимеразой (современное название — теломераза). Через 11 лет учёные из Калифорнийского университета в Беркли выделили теломеразу из клеток.
1. Репликация кольцевой хромосомы
2. репликация линейной хромосомы
Существует не одна теория, объясняющая, почему существует этот так называемый предел Хейфлика.
Эксперимент Леонард Хейфлик проводил совместно с Полом Мурхедом, после которого был сделан вывод, что нормальные клетки имеют ограниченную способность к делению в отличие от раковых клеток, которые иммортальны (бессмертны):
1. Нормальные фетальные фибробласты человека в культуре способны удваивать популяцию только ограниченное количество раз;
2. Клетки, которые подверглись криогенной обработке, «помнят», сколько раз они делились до заморозки.
В основе главной теории лежит накопление случайных повреждений гена при репликации клетки. На деление клетки оказывают влияния разные факторы: внешние и внутренние. Влияние радиации, химикатов, а также продуктов распада клеток, все это препятствует точному воспроизведению ДНК в дочерних клетках. Существуют механизмы репарации ДНК, они устраняют неполадки транскрипции, в случае их возникновения, но все ошибки устранить невозможно. Во время многократных делений клеток повреждения ДНК накапливаются, это приводит к неправильному белковому синтезу и нарушению функций клеток. Возникают болезни, характерные для старения организма: сердечнососудистые, опухоли.
Ещё одна теория утверждает, что барьер Хейфлика связан с теломерами, то есть некодирующими тандемными участками ДНК, присоединенными к концу каждой хромосомы. Функция теломер-защита генетической информации. Теломераза наращивает теломеры на концах хромосом, чтобы ДНК-полимераза могла синтезировать полную копию хромосомы, включая и ее концы. В процессе деления клетки происходит раскручивание нитей ДНК и создания ее копий в новом поколении клеток. Но при каждом цикле деления клетки теломеры немного укорачиваются, то есть у дочерних клеток длина теломер чуть меньше, чем у родительской клетки. Этот феномен принято называть концевой недорепликацией. По достижении критической длины теломер дальнейшее деление клетки становится невозможным, и она погибает. Таким образом, концевая недорепликация является одним из ключевых факторов старения, а длина теломер может служить индикатором биологического возраста организма.
У овечки Долли, клонированной из соматической клетки взрослого животного, оказались укороченные теломеры взрослого организма, а не теломеры новорождённого ягнёнка, и по этому она не прожила долго.
Стоит отметить, что существуют три типа клеток, для которых лимит Хейфлика не работает. Это половые клетки, раковые клетки и некоторые типы стволовых клеток. Раковые клетки производят фермент теломеразу, который достраивает теломеры на концах ДНК хромосом, это лежит в основе бесконечного роста раковых клеток.
Вспомним, то, что теломеры способны наращиваться специальным ферментом, предсказал еще Оловников; где теломераза выступает в роли матрицы. Это продемонстрируют через годы американские ученые, за что в 2009 году получили Нобелевскую премию (Элизабет Элен Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак).
ЭКСПЕРИМЕНТ С ТЕЛОМЕРАЗОЙ. Элизабет Периш
В сентябре 2015 года 44 летняя Элизабет Пэрриш, директор фармацевтической компании BioViva, первой в мире решилась изменить свои гены, чтобы отсрочить старость. С помощью специального вируса она активировала в организме фермент теломеразу. Есть гипотеза, что таким способом можно продлить молодость, и Элизабет надеется подтвердить это на собственном опыте.
Эксперимент прошел в два этапа:
- решение возрастной проблемы мышечной дистрофии или саркопении. Как известно, к восьмидесяти годам теряется половина мышечной ткани; ученые использовали в эксперименте миостатин.
- приостановление клеточного старения организма. Этот процесс напрямую связан с длиной теломер, которые с каждым годом становятся короче.
Результаты исследований впечатлили ученых. Длина теломер за срок эксперимента с 2013 по 2015 выросла на двадцать процентов и продолжает удлиняться. И, если в 2015 их длина была 6.71 kb, то в 2018 — 8.12 (длина соответствующая тридцатилетнему возрасту). Получается, 48-летняя женщина омолодилась на пятнадцать лет. Также, согласно исследованию организма Элизабет, мышцы тоже в полном порядке.
