Нобелевские теломеры
Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2009
Петр Петров, Элементы
Премию по физиологии и медицине в этом году вновь, уже третий раз подряд, разделят трое ученых. Она присуждена «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы» («for the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase»). Первооткрыватели теломеразы и обеспечиваемого этим ферментам механизма защиты хромосом от укорачивания живут и работают в США. Это Элизабет Блэкберн (Elizabeth H. Blackburn) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California, San-Francisco), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) из Школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) и Джек Шостак (Jack W. Szostak) из Гарвардской школы медицины (Harvard Medical School).
Элизабет Блэкберн родилась в 1948 году в Австралии — в Хобарте, столице Тасмании, — в семье врачей. Когда она была школьницей, ее семья переехала в Мельбурн, где Блэкберн училась в Мельбурнском университете в колледже и в магистратуре. Затем она поступила в аспирантуру в Кембридж и получила там степень доктора философии. Впоследствии Блэкберн два года работала в Йельском университете, после чего (в 1978 году) перешла в Калифорнийский университет в Беркли, где и были сделаны ее важнейшие открытия, связанные с теломеразой. В 1990-м она перешла в другой филиал того же огромного университета — Калифорнийский университет в Сан-Франциско, где работает и по сей день. Кроме того, она является сотрудницей Института Солка (Salk Institute) в Сан-Диего, а с 2002-го по 2004 год работала в составе Президентского совета по биоэтике. Ее исключение из этого совета связывают с ее позицией по вопросу исследований эмбриональных стволовых клеток, которая была неугодна администрации Джорджа Буша-младшего, наложившего вето на федеральное финансирование этих важнейших исследований. В апреле нынешнего года Блэкберн была избрана президентом Американской ассоциации онкологических исследований (American Association for Cancer Research) и в следующем году должна возглавить эту ассоциацию.
Кэрол Грейдер родилась в 1961 году в Сан-Диего (штат Калифорния). В 1983 году она получила степень бакалавра в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, после чего перешла в Калифорнийский университет в Беркли, где ее научным руководителем стала Элизабет Блэкберн. Уже в 1985 году в журнале Cell была опубликована статья Грейдер и Блэкберн, сообщавшая об открытии теломеразы. Получив докторскую степень в 1987 году, Грейдер стала сотрудницей Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory), а в 1997 году перешла в Университет Джонса Хопкинса, где и по сей день работает профессором. Лаборатория, возглавляемая Кэрол Грейдер, продолжает исследования теломер и теломеразы.
Джек Шостак родился в Лондоне в 1952 году. Вскоре его родители переехали в Монреаль, где он учился в колледже Университета Макгилла и в 1972 году стал бакалавром. Докторскую степень он получил в 1977 году в Корнелле, где оставался еще два года, после чего перешел в Гарвардскую школу медицины, где работает и сегодня, профессором отделения генетики. Помимо Гарварда, Шостак является сотрудником еще двух учреждений — Массачусетской неспециализированной больницы (Massachussets General Hospital) и Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Кроме открытия теломеразы, Шостак первым синтезировал искусственные хромосомы дрожжей. Создание таких искусственных хромосом нашло широкое применение в картировании генов животных, в том числе человека, и в развитии технологий генной инженерии. В настоящее время гарвардская лаборатория Шостака занимается прежде всего вопросами, связанными с происхождением жизни, и работает над искусственным синтезом живых клеток.
Поначалу функции теломер были неизвестны, как не была известна и последовательность входящих в их состав нуклеотидов. В конце пятидесятых годов был открыт фермент ДНК-полимераза, обеспечивающий удвоение молекул ДНК. Чтобы начать работать, этот фермент должен присоединиться к синтезируемому другим ферментом праймеру — короткому сидящему на цепочке ДНК фрагменту РНК, который впоследствии удаляется. При этом ДНК-полимераза может двигаться по цепочке ДНК только в одном направлении — от 5'-конца к 3'-концу. В результате ДНК-полимераза не может полностью скопировать всю молекулу ДНК: на одном из концов, к которому она прикрепляется, должен оставаться нескопированный фрагмент.
На это впервые обратили внимание, независимо друг от друга, Алексей Матвеевич Оловников (Оловников А.М. 1971. Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов // Доклады АН СССР. Т. 201. С. 1496–1499; Olovnikov A.M. 1973. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon // Journal of Theoretical Biology. V. 41. P. 181–190) и Джеймс Уотсон (Watson J.D. 1972. Origin of concatemeric T7 DNA // Nature New Biology. V. 239. P. 197–201). Получалось, что хромосомы должны укорачиваться при каждом делении клетки за счет некопируемых концевых участков. Уотсон предположил, как эта проблема должна решаться у бактериофагов, ДНК которых тоже не замкнута в кольцо, а Оловников описал, как она может решаться у эукариот, и выдвинул гипотезу о существовании фермента, способного добавлять к концу хромосомы повторяющиеся последовательности. Он также предположил, что регуляция работы этого фермента может играть ключевую роль в старении организма (за счет постепенного укорачивания концевых участков хромосом у клеток, которые должны разделиться лишь ограниченное число раз) и что неполадки в механизме такой регуляции могут быть причиной бесконтрольного деления клеток злокачественных опухолей.
Вскоре в теломерах некоторых организмов были действительно открыты повторяющиеся последовательности. Опыты, проведенные в лаборатории Джека Шостака в Гарвардской школе медицины, показали, что чужеродные фрагменты ДНК, внедренные в клетки дрожжей, способны удваиваться, но, в отличие от собственной ДНК дрожжей, существуют в делящихся клетках недолго. Элизабет Блэкберн, будучи аспиранткой в Кембридже, освоила разработанные на тот момент методики секвенирования ДНК (чтения последовательности нуклеотидов) и впоследствии в Йеле установила, какая именно последовательность повторяется на концах хромосом у инфузории Tetrahymena thermophila (ЦЦЦЦАА). Встретившись на конференции в 1980 году, Шостак и Блэкберн задумали совместный эксперимент, результаты которого указывали на то, что именно теломеры защищают собственные хромосомы дрожжей от деградации при неоднократном делении клеток. Исследователи присоединили фрагменты с повторяющейся последовательностью нуклеотидов, обнаруженной у инфузории, к небольшим чужеродным фрагментам ДНК и внедрили полученные молекулы в дрожжевые клетки. Такие молекулы успешно удваивались в дрожжевых клетках, наряду с собственными хромосомами дрожжей, причем на их концах в итоге оказывалась повторяющаяся последовательность нуклеотидов, свойственная собственным теломерам дрожжей. Публикация этих результатов в журнале Cell была первой работой, экспериментально показавшей защитную роль теломер.
Концевой участок хромосомы — теломера (telomere).
Каждая хромосома (chromosome), содержащаяся в ядре (nucleus) клетки (cell),
перед делением клетки представлена двумя одинаковыми половинками — хроматидами,
в основе каждой из которых лежит одна очень длинная,
но компактно свернутая молекула ДНК,
на каждом конце которой расположены участки
из повторяющихся последовательностей.
Эти концевые участки и есть теломеры.
При подготовке к делению, когда хроматиды удваиваются,
концы каждой хромосомы всегда укорачивались бы
(механизм удвоения ДНК не позволяет их копировать),
если бы фермент теломераза не наращивал на концах
новые повторяющиеся последовательности.
Шостак и Блэкберн, вслед за Оловниковым, предположили, что наращивание теломер обеспечивается определенным ферментом. Начались поиски этого фермента. В 1984 году его впервые смогла выделить Кэрол Грейдер, бывшая тогда еще студенткой и работавшая под руководством Элизабет Блэкберн. В статье, также опубликованной в Cell, Грейдер и Блэкберн впервые описали свойства открытого ими фермента и назвали его теломеразой. Изучая этот фермент, они обнаружили входящий в его состав фрагмент РНК, на матрице которого и синтезируются повторяющиеся последовательности нуклеотидов, добавляемые теломеразой к концевым участкам хромосом. Это открытие было описано в статье, опубликованной в Nature.
Схема работы фермента теломеразы (telomerase).
Фермент наращивает концевые участки хромосом,
добавляя к ним одинаковые последовательности нуклеотидов.
Этот процесс включает две чередующихся стадии:
(a) элонгация, то есть удлинение, и (b) транслокация, то есть перемещение.
Во время элонгации концевой участок цепочки ДНК связан с РНК-матрицей (RNA template),
входящей в состав фермента, и удлиняется за счет присоединяемых к нему нуклеотидов,
комплементарных свободному участку матрицы.
Во время транслокации молекула ДНК сдвигается на несколько нуклеотидов,
вновь освобождая участок РНК-матрицы, и цикл повторяется.
При этом наращивается только одна цепочка ДНК, но комплекс других ферментов,
основу которого составляет ДНК-полимераза, достраивает большую часть второй цепочки.
Одноцепочечным остается только небольшой «хвост» в самом конце.
Если бы не теломераза, такие хвосты сокращали бы длину двухцепочечной ДНК
при каждом ее удвоении, и любая хромосома укорачивалась бы
при каждом делении клетки.
Дальнейшие исследования, проведенные в лабораториях Блэкберн и Шостака, показали, что лишенные теломеразы клетки рано или поздно прекращают делиться и умирают. Многие типы раковых клеток, напротив, обладают повышенной активностью теломеразы, что способствует их бесконтрольному делению и образованию злокачественных опухолей. Как и предполагал Оловников, теломеры оказались важным инструментом регуляции как старения, так и возникновения рака. В настоящее время уже разработаны и проходят испытания лекарственные препараты, которые, возможно, позволят бороться с рядом форм рака за счет подавления активности теломеразы в раковых клетках.
С работой теломеразы связано также развитие врожденного дискератоза (dyskeratosis congenita) — редкого наследственного заболевания, которое вызывает преждевременное старение кожи. Симптомы этой болезни связаны с нарушениями в регуляции длины теломер. Врожденный дискератоз пока не умеют лечить, но дальнейшие исследования могут позволить найти способы останавливать его развитие.
Хотя общий принцип работы теломеразы уже ясен, еще предстоит выяснить многие важные подробности, в частности механизмы регуляции, не позволяющие теломерам неограниченно разрастаться и определяющие их сокращение у стареющих клеток. Что касается роли теломер в старении, здесь тоже по-прежнему многое остается неясным, хотя сокращение их длины действительно характерно для стареющих эукариотических клеток.
Согласно завещанию Альфреда Нобеля, каждую премию могут разделить не более троих ученых. Жаль, что в число получивших эту премию не вошел Оловников, предсказавший отмеченное ею открытие. Вместе с тем, Блэкберн, Грейдер и Шостак, посвятившие многие годы успешным экспериментальным исследованиям теломер и теломеразы, несомненно, достойны этой награды.
В этом году одну Нобелевскую премию впервые в истории разделили две женщины. Среди тех, кто исследует теломеры сегодня, женщин необычайно много. Возможно, что это неслучайно: пример Элизабет Блэкберн и Кэрол Грейдер, открывших теломеразу и выяснивших структуру этого фермента, вдохновляет других женщин продолжать исследования в этой области.
Основные источники:
1) Alison Abbot. Chromosome protection scoops Nobel // Nature News. Published online 7 October 2009.
2) Gretchen Vogel. Three Americans win Physiology or Medicine Nobel // ScienceNOW Daily News. Published online 5 October 2009.
3) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009 (сообщение на сайте Нобелевского комитета).
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
12.10.2009