Рустам Гильфанов: Теломеры, путь к продлению жизни? Взгляд биомедицины

Теломеры – участки на концах хромосом, которые ничего не кодируют и состоят из нуклеотидных повторов. Они достаточно консервативны: TTAGGG у позвоночных и, например, TTTAGGG почти у всех растений.

При каждом клеточном делении последовательность ДНК копируется, чтобы потом попасть в новую клетку – это касается как кодирующей части генома, так и теломерных участков. За копирование отвечает фермент ДНК-полимераза, из-за особенностей работы которой нити ДНК каждой хромосомы при каждом делении слегка укорачивается.

Это явление называется недорепликацией. Для того, чтобы защитить ценную генетическую информацию от повреждения ДНК укорачиваются не кодирующие части, а теломерные участки. Так происходит в большинстве клеток: теломеры укорачиваются до тех пор, пока это возможно – в среднем их "хватает" на 50 делений. Этот лимит называется "пределом Хейфлика" и назван в честь ученого Леонарда Хейфлика, экспериментально это показавшего [1]. После того как лимит оказывается исчерпан, а теломеры максимально укорочены, наступает этап апоптоза и клетки погибают.

Теломеры считались структурами, из-за которых происходило старение клеток. В ходе научных экспериментов выяснилось, что стареют таким образом далеко не все клетки. В 1970-х годах Михаил Оловников предположил, что в клетках может существовать какой-то механизм, который удлиняет теломеры и позволяет таким образом клеткам не стареть [2]. Кстати, еще до публикации работ Хейфлика Оловников высказывал мнение и о существовании предела деления клеток.

Его предположения подтвердились несколько лет спустя, когда в 1981 году был выделен фермент теломераза и выяснены особенности его работы. Активация теломеразы позволила преодолеть "предел Хейфлика", клетки делились гораздо больше тех самых 50 раз. В 2009 году "за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы" группе ученых была присуждена Нобелевская премия  по физиологии и медицине [3]. Оловников в их число, к сожалению, не вошел, хотя его кандидатура тоже выдвигалась.

Чем больше говорили о теломерах и теломеразе, тем более популярной становилась идея, что, манипулируя ими, можно добиться если не бессмертия, то как минимум продления молодости.

Было очевидно, что эти компоненты каким-то образом влияют не только на клеточное, но и на реальное старение организма. Так, например, именно ускоренное укорачивание теломер из-за мутации гена LMNA происходит при прогерии – болезни, при которой пациенты уже в раннем детстве начинают выглядеть как старики, и из-за которой им не удается дожить до взрослого возраста.

Есть и ситуации, когда теломеры оказываются чересчур длинными – такое наблюдается в опухолевых клетках. В этих клетках (а также в половых и стволовых клетках, который постоянно делятся) активность теломеразы очень высока. Классический пример бессмертных раковых клеток – культура клеток HeLa. Их источник – опухоль шейки матки американки Генриэтты Лакс, от первых букв имени и фамилии которой и произошло название клеточной линии. HeLa оказались очень удобным объектом для проведения экспериментов и сейчас культивируются в большинстве лабораторий мира.

Чем больше накапливалось знаний о теломерах и теломеразе, тем было очевиднее, что активность теломеразы нужно держать под контролем – и слишком активный фермент, и его отсутствие плохо влияют на клетки и организм.

Мыши-долгожители

Первые исследования в этой области проводились на культурах клеток и на лабораторных животных. Кстати, для поощрения экспериментов в области старения была учреждена премия мыши Мафусаила – приз за создание в лабораторных условиях самой долгоживущей мыши [4]. Учредитель премии – фонд Мафусаила, названный так в честь библейского персонажа, отличавшегося невероятным долголетием.

Один из лауреатов премии — американский ученый Анджей Бартке. Он и его коллеги, которые в 2003 году были награждены за создание мыши, прожившей почти 5 лет (1819 дней). Правда, сделал он это без какого-либо влияния на теломеры: Бартке использовал методы генетической модификации для того, чтобы изменить гормональный фон грызуна [5]. У мыши-рекордсмена была снижена выработка инсулина, понижен уровень сахара в крови, а система борьбы со свободными радикалами, также ускоряющими старение, была более активна.

После того как стало ясно, что увеличение активности теломеразы не приведет к продлению молодости, а может спровоцировать развитие опухолевого процесса, исследователи начали пытаться добиться временной активации фермента. Один из наиболее результативных экспериментов в этом направлении был проведен испанскими исследователями, а его результаты они опубликовали в 2019 году [6].

Сперва они создали линию мышей со сверхдлинными теломерами, а затем ввели стволовые клетки с такими теломерами эмбрионам обычных мышей, не отличавшихся какими-либо особенностями. Это привело к созданию химерных грызунов, в организме которых были как обычные клетки, так и те, в которых присутствовали сверхдлинные теломеры. Такие мыши имели еще несколько характерных черт: они жили на 13% дольше, чем животные из контрольной группы, реже болели раком и были гораздо стройнее, чем обычные грызуны.

А как у людей?

Однако эксперименты на животных, даже если они оказываются успешными, далеко не всегда дают сходные результаты на людях. Кроме того, проводить такие испытания на людях гораздо сложнее, чем на лабораторных животных и культурах клеток.

Один из самых громких экспериментов в этой области – опыт, который решила поставить на себе Элизабет Пэрриш. Она стала первой и, кажется, пока единственной клиенткой собственного стартапа BioViva. Ей в организм с помощью вирусных векторов ввели ген теломеразы, а также ген фоллистатина [7]. Предполагалось, что теломераза "омолодит" клетки, удлинив теломеры, а фоллистатин повлияет на активность миостатина, что будет препятствию потерям мышечной массы.

В 2016 году появились первые результаты эксперимента. И, несмотря на то, что в СМИ они были преподнесены как настоящая сенсация, научное сообщество отнеслось к ним скептически. Заявления, что инъекции омолодили Пэрриш на 20 лет, были основаны на подсчете средней скорости укорачивания теломер. Введение теломеразы действительно их удлинило на столько, на сколько они могли укоротиться за два десятилетия. Это, однако, совсем не значит, что в организме произошли какие-то омолаживающие явления.

Кроме того, при ближайшем рассмотрении результатов оказалось, что измерение увеличения длины теломер могло сопровождаться погрешностью, причем чуть ли не сопоставимой с самими изменениями.

Для того, чтобы результаты выглядели еще более показательными, Пэрриш опубликовала МРТ-снимки собственных бедер, сделанных до введения генной терапии и спустя два года после нее. Снимки должны были демонстрировать положительное действие фоллистатина: снижение уровня отложений жира в мышечной ткани. Однако далеко не все исследователи были согласны с тем, что на снимках заметны хоть какие-то изменения – многие считают, что аналогичную картину можно получить, изменив положение ног пациента при проведении МРТ, кроме того, различия могут быть обусловлены совершенствованием приборов.

Другая компания, планировавшая оказывать сходные услуги – стартап Libella Gene Therapeutics. Ожидалось, что в 2019 году она начнет клинические испытания, в ходе которых участникам будут вводить вирусные векторы, несущие ген теломеразы. Набор участников предполагался для проведения исследований в трех направлениях: влияние на старение, терапия болезни Альцгеймера, а также лечения критической ишемии конечностей [8]. В настоящее время статус исследований обозначен как "ведется набор участников", а другие подробности отсутствуют.

Делать ли ставку на теломеры?

Генетик Ричард Коутон и его коллеги из Университета Юты показали, что более короткие теломеры действительно связаны с меньшей продолжительностью жизни. В одном из своих исследований они продемонстрировали, что среди людей старше 60 лет, те, чьи теломеры короче, в 3 раза чаще умирают от сердечно-сосудистых заболеваний и в 8 раз чаще от инфекций [9].

Впрочем, тот же Коутон подчеркивает, что после 60 лет риск смерти удваивается каждые 8 лет. Но среди множества факторов вклад теломер в этот процесс не превышает 4%. Значительно больший вес имеют, например, пол, реальный возраст, а также окислительный стресс. Под этим термином понимают повреждения ДНК и других структур клетки, возникающие под действием свободных радикалов. Они образуются в организме в ходе многих реакций и часть этих радикалов улавливается защитной системой организма. Однако в том случае, если свободных радикалов будет слишком много – а их концентрация возрастает у курильщиков, у тех, кто питается неправильно, а также испытывает перманентный стресс – устранить их она будет не в состоянии. В этом случае они будут накапливаться и повреждать ДНК.

Теломеры и их длина являются лишь одним из факторов, влияющих на старение, однако списывать его со счетов как маловажный и незначительный точно не стоит. Укорачивание теломер – явление, характерное для стареющих (сенесцентных) клеток. Эти клетки имеют специфический метаболизм и выделяют ряд молекул, не лучшим образом влияющих на вполне здоровое клеточное окружение и на весь организм в целом – это провоспалительные цитокины, факторы роста, протеазы [10]. Чем больше появляется сенесцентных клеток, тем сильнее их влияние на нормальные ткани – они мешают их работе, провоцируют воспаление и злокачественное перерождение, что наиболее ярко выражено в пожилом возрасте [11].

Возлагать на теломеры слишком большие надежды не стоит, но "позаботиться" о них можно. У исследователей есть данные, что повлиять на длину теломер можно, совсем не проводя на себе рискованные эксперименты. Их можно удлинить и без введения в организм теломеразы, просто изменив образ жизни на более здоровый и активный, а питание – на более правильное [12].

И все же лекарства, влияющие на активность теломеразы, активно разрабатываются. Делается это не сколько для продления молодости, сколько для борьбы со злокачественными заболеваниями. Препараты, которые способны подавлять активность теломеразы именно в раковых клетках, теоретически могут замедлить или даже полностью остановить прогрессирование опухоли.

На практике дело обстоит иначе — важно подавить работу фермента селективно, только в раковых клетках, не затронув его функционирование в других клетках и тканях, например, половых, где ее активность крайне необходима.

Для подбора эффективно работающих лекарств активно используется искусственный интеллект и машинное обучение. Так, например, они необходимы при анализе данных полногеномного скрининга, который используется, когда нужно изучить большие объемы генетических данных. В одном из экспериментов был проведен полногеномный скрининг промоторной области в генах теломеразы раковых клеток, что позволило выявить мутации, запускающие повышенную активность фермента [13]. Эти мутации могут использоваться как цели при проведении терапии – именно на них может быть направлено действие препаратов, влияющих на активность фермента.

Разработка самих лекарств сегодня практически невозможна без анализа больших объемов данных с помощью суперкомпьютеров. Такой подход упрощает и ускоряет процесс, помогая находить или создавать с нуля лекарства с теми свойствами, которые нужны. Например, препараты, прицельно действующие на ген теломеразы только в раковых клетках, и практически не затрагивающие этот ген в здоровых [14].

Длина теломер и активность теломеразы – важные, но не единственные мишени, которые стоит иметь в виду, когда мы говорим о борьбе со старением и профилактике возрастзависимых заболеваний. Они определенно вносят свой вклад в старение, хотя и не такой масштабный, как предполагалось ранее, но игнорировать его полностью не стоит.

Об авторе

Рустам Гильфанов – сооснователь международной IT-компании, партнер венчурного фонда LongeVC.

Источники:

1. HAYFLICK L, MOORHEAD PS. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res. 1961 Dec;25:585-621. doi: 10.1016/0014-4827(61)90192-6. PMID: 13905658.

2. Olovnikov AM. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon. J Theor Biol. 1973 Sep 14;41(1):181-90. doi: 10.1016/0022-5193(73)90198-7. PMID: 4754905.

3. Nobel Prize (2009) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009 https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2009/illustrated-information/ Accessed 23 Dec 2022

4. Methuselah Foundation (2022) MPrize helped mice live longer. Now it’s humans’ turn https://www.mfoundation.org/news/2022/3/16/mprize-blog Accessed 23 Dec 2022

5. Bartke A, Brown-Borg H. Life extension in the dwarf mouse. Curr Top Dev Biol. 2004;63:189-225. doi: 10.1016/S0070-2153(04)63006-7. PMID: 15536017.

6. Muñoz-Lorente MA, Cano-Martin AC, Blasco MA. Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans. Nat Commun. 2019 Oct 17;10(1):4723. doi: 10.1038/s41467-019-12664-x. PMID: 31624261; PMCID: PMC6797762.

7. MIT Technology Review (2015) A Tale of Do-It-Yourself Gene Therapy https://www.technologyreview.com/2015/10/14/165802/a-tale-of-do-it-yourself-gene-therapy/ Accessed 23 Dec 2022

8. Good clinical practice Clinical Trials Sponsored by Libella Gene Therapeutics https://ichgcp.net/clinical-trials-registry/research/list?spons=Libella%2BGene%2BTherapeutics Accessed 23 Dec 2022

9. Cawthon RM, Smith KR, O'Brien E, Sivatchenko A, Kerber RA. Association between telomere length in blood and mortality in people aged 60 years or older. Lancet. 2003 Feb 1;361(9355):393-5. doi: 10.1016/S0140-6736(03)12384-7. PMID: 12573379.

10. Campisi J, d'Adda di Fagagna F. Cellular senescence: when bad things happen to good cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 2007 Sep;8(9):729-40. doi: 10.1038/nrm2233. PMID: 17667954.

11. Малыгина Н.А. Старение клеток и возрастзависимые заболевания // Клиническая геронтология. 2014. №3-4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/starenie-kletok-i-vozrastzavisimye-zabolevaniya (дата обращения: 29.12.2022).

12. Balan E, Decottignies A, Deldicque L. Physical Activity and Nutrition: Two Promising Strategies for Telomere Maintenance? Nutrients. 2018 Dec 7;10(12):1942. doi: 10.3390/nu10121942. PMID: 30544511; PMCID: PMC6316700.

13. Shanmugam R, Ozturk MB, Low JL, Akincilar SC, Chua JYH, Thangavelu MT, Periyasamy G, DasGupta R, Tergaonkar V. Genome-wide screens identify specific drivers of mutant hTERTpromoters. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Jan 18;119(3):e2105171119. doi: 10.1073/pnas.2105171119. PMID: 35027447; PMCID: PMC8784157.

14. Akıncılar SC, Chua JYH, Ng QF, Chan CHT, Eslami-S Z, Chen K, Low JL, Arumugam S, Aswad L, Chua C, Tan IB, DasGupta R, Fullwood MJ, Tergaonkar V. Identification of mechanism of cancer-cell-specific reactivation of hTERT offers therapeutic opportunities for blocking telomerase specifically in human colorectal cancer. Nucleic Acids Res. 2022 Jun 14:gkac479. doi: 10.1093/nar/gkac479. Epub ahead of print. PMID: 35697349.