Август Вейсман сделал замечательное предсказание: все соматические клетки (клетки тела) должны иметь ограниченную продолжительность жизни. На протяжении большей части ХХ в. предсказание Вейсмана оставалось спорным. Идея Вейсмана получила экспериментальное основание в 1960-х гг., когда американский биолог Леонард Хейфлик доказал, что человеческие фибробласты (клетки соединительной ткани, которые участвуют в заживлении ран и которые легко поддерживать в клеточной культуре) делятся лишь 50 или 70 раз, а затем достигают «репликативной старости» и умирают. Таким образом, в отличие от бактерий, фибробласты не могут делиться бесконечно; в конце концов, вся популяция умирает от старости. Максимальное число делений, которое может пережить клетка (точнее, число удвоений популяции), стали называть пределом Хейфлика. Разные типы клеток характеризуются разными значениями этого предела, но теперь мы знаем, что практически все соматические клетки стареют и умирают.
Впрочем, вариации предела Хейфлика весьма значительны. Фибробласты короткоживущих животных, таких как мыши, имеют значительно меньший предел, чем фибробласты долгоживущих животных, таких как человек: 15 клеточных делений против 70. Эта закономерность справедлива для всех исследованных видов организмов. Кроме того, значение предела Хейфлика зависит от возраста донора клеток. Фибробласты от старого донора в культуре делятся меньшее число раз и умирают раньше, чем фибробласты от молодого донора. По-видимому, они уже исчерпали часть своего потенциала деления, пока находились в организме донора, так что им осталось меньше делений. Клетки, взятые у людей с синдромом Вернера (синдромом ускоренного старения), тоже очень быстро стареют и умирают. Напрашивается удивительный вывод: клетки умеют считать. Когда они досчитывают до предельного значения, они умирают. Предельное значение записано в генах. Генетические заболевания, сопровождающиеся ускоренным старением, характеризуются более низким значением предела.
Исключением из этого правила являются опухолевые клетки. Они больше напоминают клетки бактерий. Они каким-то образом обходят предел Хейфлика и продолжают делиться бесконечно. Самый знаменитый пример — опухолевые клетки несчастной чернокожей американки Генриетты Лакс, скончавшейся от рака шейки матки в Балтиморе в 1951 г. Врачи взяли образцы опухолевых клеток больной и культивировали их, чтобы установить тип опухоли. Эти клетки, названные HeLa, оказались настолько живучими, что до сих пор продолжают расти во многих исследовательских центрах всего мира. Они не проявляют никаких признаков старения. Сегодня их общая масса более чем в 400 раз превышает массу тела самой Генриетты.
История предела Хейфлика получила продолжение в 1990-х гг., когда Келвин Харли, основатель Калифорнийской биотехнологической компании Geron Corporation, нашел связь между способностью клеток считать и длиной теломерных (концевых) участков отдельных хромосом. Иногда теломеры сравнивают с концами шнурков от ботинок — их функция заключается в том, чтобы шнурки не «лохматились»; другими словами, теломеры сохраняют целостность хромосом. Считалось, что в них кроется секрет вечной жизни. Однако, как мы увидим дальше, это не так.
Теломеры — характерный пример биологической хитрости: они нужны по той причине, что мы унаследовали механизм репликации ДНК от бактерий, у которых хромосомы кольцевые, тогда как хромосомы эукариот не кольцевые, а линейные. Механизм репликации ДНК таков, что не позволяет синтезировать концы линейных молекул ДНК. В результате при каждом копировании хромосомы укорачиваются. Решение? Хитрость. Эволюция не стала изобретать новый механизм репликации ДНК, но добавила к концам каждой хромосомы кусочки некодирующей ДНК, с которыми могут связываться ферменты репликации. Потеря этих участков не имеет значения до тех пор, пока сохраняется информационное содержимое всей хромосомы, но потом хромосомы «разлохмачиваются», и клетки перестают делиться.
Итак, теломеры — это дополнительные некодирующие концевые фрагменты ДНК. Келвин Харли показал, что в культуре клеток человеческих фибробластов они постепенно укорачиваются. При каждом делении клетки происходит репликация ДHK, и при каждом делении теряется кусочек теломерной последовательности. Человеческие фибробласты полностью теряют теломеры максимум за 70 делений. Таким образом, укорочение теломерных последовательностей — своеобразные биологические часы, определяющие максимальное число клеточных делений. Это число определяется исходной длиной теломерных последовательностей и скоростью их отщепления; но в целом чем больше исходная длина теломерной последовательности, тем большее число делений переживает клетка.
Так как же выживают опухолевые клетки? По-видимому, они используют фермент, названный теломеразой, который восстанавливает теломеры, так что их длина не уменьшается
[76]. Теломераза активна в большинстве опухолевых клеток. Никакого волшебства тут нет. Ген теломеразы присутствует во всех клетках нашего тела, но в норме отключен. В организме человека он обычно активен только в стволовых клетках — неспециализированных клетках, которые могут делиться и дифференцироваться с образованием новых тканей, а также в половых клетках, смысл существования которых заключается в воспроизведении. В 1997 г. исследователи из компании Geron Corporation клонировали часть гена теломеразы. В результате введения этого гена вместе с промотором, обеспечивающим активацию теломеразы, соматические человеческие клетки в культуре стали бессмертными. Популяция клеток получила возможность делиться бесконечно, но вела себя не так, как популяция опухолевых клеток, формирующих объемные образования даже при росте на чашке Петри. Эти результаты были опубликованы в 1998 г. в журнале Science и вызвали всеобщее возбуждение — вот он, секрет вечной молодости! Продукт одного-единственного гена может предотвратить старость или хотя бы репликативное старение соматических клеток.
Ажиотаж вокруг теломеразы связан с извечной мечтой человека о бессмертии. Гильгамеш пришел бы в восторг. Молекулярные биологи, сосредоточенные на анализе геномов и защищающие идею программированного старения, торжествовали. Если продолжительность жизни определяется длиной участка ДНК, следовательно, длина этого участка каким-то образом «запрограммирована» для обеспечения нужной продолжительности жизни, по-видимому, во благо всего вида. Эволюционные биологи смотрят на проблему иначе. Как мы обсуждали в предыдущей главе, если с возрастом селективное давление ослабевает, следовательно, нет никакой программы старения. В таком случае функция теломерных последовательностей в чем-то другом. Контроль старения клеток в культуре, возможно, является артефактом, не связанным с их функцией в организме.
Эти диаметрально противоположные варианты трактовки одного и того же наблюдения указывают на важнейшую роль теории в науке. Факты мало что означают, если их не интерпретировать в рамках какой-то общей теории, но именно неожиданные факты, не укладывающиеся в рамки теории, позволяют разрушать догмы. Однако в случае теломеразы никакой радикальной интерпретации не требуется. Теломераза — необходимый, но не достаточный элемент, позволяющий клеткам с линейными хромосомами делиться бесконечно. Она не имеет прямого отношения к старению тела.
