Глава 3
Теломераза – фермент, восстанавливающий теломеры
Вскоре после того, как я (Элизабет) изучила рентгеновский снимок с ДНК теломер, меня пригласили работать в Калифорнийский университет в Беркли, где в 1978 году я открыла собственную лабораторию, чтобы и дальше исследовать теломеры. Тут-то я и заметила нечто, не на шутку меня поразившее. Я продолжила выращивать колонии тетрахимен – тех самых «волосатых» одноклеточных созданий, из которых состоит водная муть, – и уже научилась вычислять размеры их теломер по длине ДНК. А кроме того, я выяснила, что каким-то таинственным образом при определенных условиях теломеры тетрахимен иногда начинали расти.
Это меня потрясло, ведь я ожидала, что если теломеры и будут меняться, то непременно станут укорачиваться, а не удлиняться, то есть количество последовательностей ДНК в каждой теломере будет уменьшаться. Но все выглядело так, словно тетрахимены создавали новую ДНК. Это было немыслимо! Всегда считалось, что ДНК не может изменяться. Вы наверняка слышали, что мы умираем с той же ДНК, с которой родились, и что ДНК производится исключительно за счет процесса, который можно условно назвать биологическим копированием. Я все проверила и перепроверила, но результаты подтвердились: то, что считалось невозможным, и впрямь происходило. Затем мы с Дженис Шампэй (так звали мою студентку, вместе с которой мы работали над экспериментами, придуманными мной и Джеком Шостаком, исследователем из Гарварда) обнаружили то же самое в клетках дрожжевых грибков. Позже начали поступать сообщения от других ученых: оказалось, подобные изменения наблюдаются и у остальных одноклеточных созданий, а не только у тетрахимен. На концах хромосом этих организмов появлялись новые участки ДНК. Их теломеры росли.
Никакие другие участки ДНК не ведут себя таким образом. На протяжении десятилетий ученые были убеждены, что любой отдельно взятый отрезок ДНК хромосомы существует исключительно потому, что он скопирован с существовавшей ранее ДНК. Было принято считать, что ДНК не может появляться «из воздуха», на пустом месте.
Ощущение было непередаваемое: прямо на моих глазах происходило нечто такое, чего никому прежде наблюдать не доводилось. Каждый ученый надеется совершить подобное открытие. Дух захватывает, когда неожиданные данные наталкивают на мысль о существовании неизведанных уголков мироздания, которые только и ждут, чтобы их изучили. Однако столь необычное поведение теломер привело к открытию гораздо большего, чем просто какой-то уголок мироздания, – обнаружились целые районы, о существовании которых до тех пор никому не было известно.
Теломераза: решение проблемы сокращения теломер
Я продолжала размышлять над странным поведением теломер, их способностью увеличиваться в длину. Я решила, что нужно заняться поисками фермента, который, возможно, и создавал новые участки ДНК в теломерах, – фермента, который способен восстанавливать теломеры, после того как те сократились. Настало время закатать рукава и опять приступить к выращиванию колоний тетрахимен. Почему именно их? Потому что из них можно получить изрядное количество теломер для изучения. Я решила, что так смогу обнаружить и формирующий теломеры фермент, если, конечно, он вообще существует.
В 1983 году к этим исследованиям присоединилась аспирантка Кэрол Грейдер, начавшая работать вместе со мной в лаборатории. Мы принялись проводить новые эксперименты и совершенствовать их. В день Рождества 1984 года Кэрол сделала рентгеновский снимок (авторадиограф), на котором впервые были видны отчетливые признаки работы неизвестного фермента. Когда Кэрол вернулась домой, в порыве возбуждения она пустилась в пляс посреди гостиной. Назавтра она с трудом сдерживала ликование, когда протянула мне рентгеновский снимок, ожидая моей реакции. Мы переглянулись. Каждая из нас прекрасно осознавала, что означало полученное нами изображение: теломеры способны удлинять свою ДНК, захватывая впервые обнаруженный фермент, который мы решили назвать теломеразой. Теломераза создает в теломерах новые участки ДНК, используя в качестве образца существующие последовательности нуклеотидов.
Однако науку двигают не только отдельные моменты гениальных озарений. Мы должны были убедиться в достоверности полученных результатов. Недели сменялись месяцами – мы скрупулезно продолжали исследования. Нас то и дело охватывали приступы сомнений, вслед за которыми приходили всплески радостного волнения. Шаг за шагом мы отмели все возможные причины, по которым наблюдение, сделанное нами в конце 1984 года, могло оказаться ошибочным. Наконец родилось более глубокое понимание сущности теломеразы: это фермент, который отвечает за восполнение участков ДНК, потерянных во время деления клеток. Теломераза строит и восстанавливает теломеры.
Вот что мы узнали о работе теломеразы. Фермент состоит из белков и РНК – своего рода копии ДНК. Эта копия содержит шаблон последовательности ДНК, которая затем раз за разом будет повторяться в теломере. Теломераза использует этот шаблон РНК как встроенную биохимическую инструкцию для воссоздания правильной последовательности нуклеотидов в новой ДНК. Благодаря этому удается воспроизвести такую ДНК, которая притягивает к себе защитный слой белка, покрывающий теломеры. Итак, теломераза добавляет новые фрагменты ДНК на концах хромосом, руководствуясь шаблоном последовательности, взятым из РНК, а также присущим ДНК принципом объединения отдельных нуклеотидов в пары. В итоге добавляются точно подобранные последовательности нуклеотидов, которые повторяют уже существующие. За счет этого механизма теломераза достраивает окончания хромосом взамен утраченных участков.
Загадка удлиняющихся теломер была раскрыта. Теломераза восстанавливает теломеры, добавляя к ним участки теломерной ДНК. С каждым делением клетки ее теломеры постепенно укорачиваются, пока их длина не достигнет критического значения: это служит для клетки сигналом, и она прекращает делиться. Теломераза борется с сокращением теломер, достраивая ДНК и восстанавливая утраченные участки на концах хромосом после каждого деления клетки. Благодаря этому хромосомы остаются нетронутыми и новая клетка получает их точную копию. Таким образом, клетка может обновляться и далее. Теломераза способна замедлять, предотвращать и даже обращать вспять сокращение теломер, сопровождающее клеточное деление. В каком-то смысле теломераза умеет обновлять теломеры. Мы нашли способ обойти предел Хейфлика… И все благодаря тине из пруда!
Теломераза – не эликсир бессмертия
Узнав о наших открытиях, и мировое научное сообщество, и СМИ начали фонтанировать обнадеживающими предположениями. А что, если удастся искусственно увеличивать запасы теломеразы в организме человека? Сможем ли мы подобно тетрахименам добиться постоянного, непрекращающегося обновления клеток? (Это, пожалуй, первый документированный случай, когда людям захотелось быть похожими на болотную тину.)
Многие принялись фантазировать на тему того, можно ли из теломеразы изготовить эликсир бессмертия. Тогда мы могли бы время от времени заглядывать в местный бар, разливающий теломеразу, за очередной порцией этого фермента, который позволил бы нам оставаться здоровыми долгие годы и достигать максимально возможной для людей продолжительности жизни.
