Более 100 лет назад один ученый в нью-йоркской лаборатории, разглядывая клетки, которые вырастил в чашках Петри, задавался вопросом: не открыл ли он секрет бессмертия? Алексис Каррель, французский хирург, к тому времени уже прославился как автор новаторской методики сшивания кровеносных сосудов, разорванных в результате несчастного случая или ранения, например ножевого. Его метод сшивания сосудов путем наложения миниатюрных, едва видимых швов преобразил многие области хирургии и даже в наши дни остается основным при пересадке органов. В 1904 г. Каррель уехал из Франции в Монреаль, а затем в Чикаго. Два года спустя, перебравшись в Нью-Йорк, он стал одним из первых исследователей в только что основанном Рокфеллеровском институте медицинских исследований (ныне Рокфеллеровский университет). Амбициозным ученым институт предлагал небывалые возможности, в том числе превосходные лаборатории и щедрое финансирование. А 34-летний Каррель определенно ставил перед собой большие цели.

Будучи хирургом, он мечтал научиться сохранять человеческие ткани живыми вне организма. В лаборатории можно выращивать культуры бактерий или дрожжей бесконечно долго. Отдельные бактерии или грибки в культуре стареют и отмирают, но культура продолжает расти, и в этом смысле она бессмертна. Однако, возможно ли это в отношении клеток и тканей высших форм жизни, например человека, ясности не было. Работая в Рокфеллеровском институте, Каррель решил провести длительную серию экспериментов и установить, можно ли бесконечно поддерживать жизнь культуры клеток той или иной ткани. Поместив в чашку Петри клетки из сердца куриного эмбриона и постоянно снабжая их питательными веществами, Каррель, казалось, подошел к великому открытию. Культуру можно было поддерживать годами. Эти клетки, по его утверждению, были бессмертными.

Сообщение об открытии было подано с большой помпой. Если клетки ткани могут жить вечно, рассуждали журналисты, тогда это доступно и тканям в целом и в конечном счете нам самим. В редакционной статье, опубликованной в 1921 г. в июльском номере журнала Scientific American, говорилось следующее: «Пожалуй, недалек тот день, когда большинство из нас сможет с полным основанием рассчитывать прожить сто лет. А если сто, то почему бы и не тысячу?»[104]

Однако Каррель ошибался.

Поначалу результаты работы французского ученого никто не оспаривал в силу его авторитета, и с годами бессмертие клеточной культуры стало догмой. Так продолжалось до тех пор, пока 30 лет спустя молодой ученый из Вистаровского института при Университете Пенсильвании Леонард Хейфлик не захотел проверить, изменится ли клеточная культура под воздействием экстракта раковых клеток. Он решил использовать метод Карреля для выращивания клеток человеческого эмбриона. К своему разочарованию, ученый обнаружил, что не может поддерживать рост этой культуры бесконечно. Сначала Хейфлик, недавно защитивший диссертацию по медицинской микробиологии и химии, решил, что где-то допустил ошибку. Возможно, неправильно приготовил питательный бульон или плохо вымыл лабораторную посуду. Однако в следующие три года он методично исключил все вероятные технические ошибки и пришел к выводу, что общепринятая гипотеза попросту неверна: обычные человеческие клетки в культуре не будут размножаться бесконечно. Они не бессмертны[105].

Хейфлик выяснил, что эти клетки могут делиться лишь ограниченное число раз, а затем этот процесс останавливается. В ходе оригинального эксперимента Хейфлик и его коллега Пол Мурхед взяли мужские клетки, которые уже делились много раз, и смешали с женскими, претерпевшими лишь несколько делений. Мужские клетки вскоре достигли предела и перестали делиться, а женские продолжили размножаться и в определенный момент стали преобладать в культуре. Каким-то образом старые клетки помнили, что они старые, даже в окружении молодых. Присутствие молодых не вызывало омоложения старых клеток, и деление у них прекращалось не из-за воздействия каких-нибудь химических веществ или вирусов, попавших в окружающую их среду. Для описания состояния, в котором клетки не могут больше делиться, Хейфлик и Мурхед предложили термин «клеточное старение» (клеточная сенесценция).

Другой молодой ученый, возможно, и занервничал бы, оспаривая столь общепринятую гипотезу, но только не Хейфлик, который не сомневался в своей правоте. Вместе с Мурхедом они описали результаты своих опытов в подробнейшей 37-страничной статье и отправили ее в тот же журнал, в котором опубликовал свои первоначальные выводы Каррель. Возможно, потому, что статья противоречила господствующей догме или просто редактор был коллегой Карреля и скорее доверял ему, а не каким-то неизвестным молодым исследователям, в журнале статью отклонили, и в итоге она была опубликована в Experimental Cell Research в 1961 г. Сейчас она считается классической работой[106] в данной области. Максимально возможное число делений для различных видов соматических клеток сегодня называется пределом Хейфлика.

Как мог Каррель допустить такую ошибку? Одно из объяснений, предложенное самим Хейфликом, состоит в том, что французский коллега, возможно непреднамеренно, вводил в культуру новые клетки всякий раз, когда подливал питательный бульон, в котором они росли. Некоторые ученые предполагали даже[107], что новые клетки вносились намеренно, хотя это следовало бы рассматривать как вопиющее нарушение правил научного эксперимента или прямой обман.

У меня закрадывается подозрение, что к тому времени, как Каррель начал работать с клеточными культурами, мысли о славе и могуществе уже вскружили ему голову и он не слишком добросовестно и критически подошел к своим исследованиям. Такое отношение проявлялось у него и в других ситуациях. В 1935 г. он опубликовал книгу под названием «Человек неизвестный» (L'Homme, cet inconnu), в которой рекомендовал стерилизовать «бесполезных людей», а преступников и душевно больных отправлять в газовые камеры, и заодно высказался о превосходстве северных народов над южноевропейскими. В предисловии к немецкому изданию книги (1936) автор одобрительно высказывался о нацистском правительстве Адольфа Гитлера и его евгенической программе. Учитывая авторитет Карреля[108], нельзя исключать, что нацисты использовали его высказывания в качестве одного из оправданий своей деятельности. Недавно Рокфеллеровский университет внес изменения в текст памятной мемориальной таблички в честь Карреля, отразив в ней и эти его взгляды.

Известный биолог Тития де Ланге[109], в настоящее время работающая в том же Рокфеллеровском университете, предложила более простое объяснение выводам Карреля: в соседней лаборатории велись исследования злокачественных опухолей у домашних кур и куриные раковые клетки могли каким-то образом заразить культуры Карреля. Раковые клетки представляют собой исключение из правила Хейфлика: они не перестают размножаться после определенного числа делений, и именно из-за их бесконтрольного роста рак столь разрушителен для организма.

Почему же раковые клетки не прекращают делиться – в отличие от нормальных, которые изучал Хейфлик? И как клетка может сосчитать, сколько раз она уже делилась, и понять, что пора остановиться?

При делении клетки каждая молекула ДНК в наших хромосомах должна быть скопирована. В отличие от генома бактерий, представленного одной кольцевой молекулой ДНК, в каждой из наших 46 хромосом ДНК линейная. Каждая нить двойной спирали ДНК имеет направление, подобно стреле, – и направлены они в противоположные стороны. Сложный механизм, копирующий каждую молекулу ДНК, использует обе нити в качестве инструкций для создания противоположной, или комплементарной, нити, но считывать он умеет только в одном направлении. В начале 1970-х гг. прославленный исследователь ДНК Джеймс Уотсон и русский молекулярный биолог Алексей Оловников приблизительно в одно и то же время обнаружили, что способ, которым клетка копирует ДНК, вероятно, создает определенные проблемы на концах молекулы.

В один прекрасный день в Москве Оловников стоял на железнодорожной платформе, глубоко погруженный в размышления об этой проблеме. Он представил, что поезд, стоящий у перрона, – это молекула ДНК-полимеразы – фермента, копирующего ДНК, а железнодорожные пути – сама ДНК, которую предстоит копировать. Ученый понял, что поезд[110] сможет копировать рельсовый путь, лежащий впереди, но не ту его часть, которая лежит непосредственно под ним. И поскольку поезд может двигаться лишь в одном направлении, то, даже если он начнет движение с самого начала полотна, всегда останется часть пути под ним, которую невозможно скопировать. Из-за невозможности скопировать самый конец нити ДНК каждая новая копия нити будет чуть короче оригинала. С каждым делением клетки хромосомы будут укорачиваться, и настанет момент, когда они растеряют критически важные гены и не смогут больше делиться, достигнув таким образом предела Хейфлика. Проблема репликации конца молекулы ДНК, как ее называют, могла бы объяснить – по крайней мере, в принципе, – почему клетки перестают делиться, однако в реальности ответ на этот вопрос, как мы сейчас увидим, значительно сложнее.

БЕЗ ОТВЕТА ОСТАВАЛАСЬ И ДРУГАЯ ЗАГАДКА. Почему клетка не воспринимает концы хромосом как места разрывов в ДНК и не пытается их сращивать? Почему она не реагирует на них как на повреждение ДНК?

В 1930–1940-е гг., примерно в то же время, когда Герман Мёллер исследовал, как рентгеновские лучи повреждают хромосомы, молодой биолог Барбара Макклинток занималась изучением генетики кукурузы. И в какой-то момент открыла[111] явление «прыгающего гена» – ситуацию, когда ген перескакивает со своего места в ДНК на совершенно другое место в той же хромосоме или даже на совершенно другую хромосому.

Еще в 1930-е гг. и Мёллер, и Макклинток независимо друг от друга обнаружили, что у концов хромосом есть свои особенности. В отличие от концов разорванных хромосом, которые нередко склеивались, у целых концы друг с другом не соединялись. Мёллер назвал концевые участки хромосом теломерами. И он, и Макклинток предположили, что у теломер есть особое свойство, которое не позволяет клетке принимать их за разрывы в ДНК и склеивать между собой. Это дает возможность хромосомам сохраняться как отдельным единицам в клетке и не соединяться в случайном порядке. Так какое же свойство делает теломеры такими особенными?

Элизабет Блэкберн выросла в городке Лонсестон на северном побережье острова Тасмания, в семье, где было восемь детей и целый зверинец из самых разных домашних животных. Элизабет заинтересовалась наукой и поступила в Мельбурнский университет, чтобы изучать биохимию. Там ей посчастливилось лично познакомиться с Фредом Сенгером, знаменитым биохимиком, приехавшим из Англии. В то время женщин-ученых в молекулярной биологии было крайне мало, и Блэкберн, вдохновленная этой встречей, отправилась в Кембридж к Сенгеру, чтобы продолжить работу над диссертацией в его лаборатории. Момент оказался как нельзя более подходящим, так как Сенгер только что разработал метод секвенирования ДНК. В Кембридже в жизни Элизабет произошло еще одно счастливое событие – знакомство с будущим мужем, американцем Джоном Сидетом, вскоре получившим должность в Йельском университете[112]. В итоге Элизабет решила продолжить исследовательскую работу в Йеле, в лаборатории Джозефа Галла.

Галл, известный цитолог, интересовался структурой хромосомы, а Блекберн, работавшая с Сенгером, умела секвенировать геном. Объединив усилия, они применили свои знания и опыт для определения последовательности ДНК, прежде всего – в теломерах хромосом. В каждой клетке человека содержится лишь 92 теломеры: по две на каждую из 46 хромосом. Исследователи сочли, что этого материала недостаточно. Они приняли мудрое решение, выбрав для изучения одноклеточный организм – инфузорию тетрахимену (Tetrahymena), – у которого на одном из этапов жизненного цикла насчитывается до 10 000 небольших хромосом. Блекберн и Галл обнаружили, что последовательность ДНК в теломерах каждой из этих хромосом отличается не только от всей остальной хромосомы, но вообще от всего, что они когда-либо прежде видели. Нуклеотидная последовательность TTGGGG[113] (или комплементарная CCCCAA на второй нити) повторялась в теломерах каждой из хромосом от 20 до 70 раз.

Вскоре после того, как Блэкберн описала эти повторы, она познакомилась с Джеком Шостаком, который работал в Гарвардской медицинской школе и пытался внедрить искусственные хромосомы в клетки дрожжей. Замысел состоял в том, чтобы с помощью этих искусственных хромосом дополнить генотип дрожжей новыми генами, которые затем будут воспроизводиться вместе с собственными хромосомами дрожжей. Однако по какой-то причине новые хромосомы оказывались нестабильными. Клетки дрожжей воспринимали концы этих искусственных молекул ДНК как разрывы в результате повреждений и запускали ответную реакцию. Шостак и Блэкберн решили выяснить, что произойдет, если они поместят на конце искусственной хромосомы последовательность теломер из хромосомы тетрахимены. Это сработало как волшебная палочка[114]: модифицированные искусственные хромосомы теперь оставались стабильными. Затем Шостак взялся за секвенирование теломерной ДНК дрожжей и обнаружил в ней тот же повтор, что и у тетрахимены. Только вместо TTGGGG повторялась комбинация TG, или TGG, или TGGG. Сегодня мы знаем из дальнейших исследований, что у человека и других млекопитающих повторяющееся звено теломеры имеет формулу TTAGGG.

Каким-то способом эти короткие теломерные последовательности сообщают клетке, что они особые и их не нужно воспринимать как концы разорванной ДНК. Удивительно то, что, хотя дрожжи и тетрахимену разделяют более миллиарда лет эволюции, теломерный повтор у них различается совсем незначительно. Это позволяет предположить, что существует некий универсальный механизм, который защищает теломеры хромосом и зависит от их повторяющихся последовательностей. Такие повторяющиеся последовательности своего рода дополнительный расходный материал, прикрепленный на концы хромосом. С каждым делением хромосома утрачивает несколько повторов, но это не имеет значения, пока они все не будут потеряны и не начнут исчезать важные гены в концевых участках хромосом. Именно поэтому клетки могут делиться лишь ограниченное число раз, пока не достигнут предела Хейфлика, после чего больше не делятся.

И хотя в целом это объясняет некоторые моменты, ряд важных вопросов остается без ответа. Каким образом добавляются такие теломерные последовательности? И почему некоторые клетки, например раковые или наши обычные половые клетки, могут делиться гораздо дольше, чем позволяет предел Хейфлика?

Первый значительный шаг на пути к получению ответов на эти вопросы был сделан, когда к Блэкберн, которая в то время уже руководила собственной лабораторией в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, присоединилась аспирант Кэрол Грейдер. Объединив усилия, исследовательницы открыли фермент[115], добавляющий теломерные повторы к концам хромосом. Этот фермент они назвали теломеразой.

В клетках большинства тканей очень мало теломеразы или ее нет совсем, но раковые клетки и некоторые особые виды клеток, например половые, активно вырабатывают этот фермент. Без теломеразы[116] теломеры все больше укорачиваются с возрастом, и наконец клетка приходит в состояние сенесценции и перестает делиться. В то же время если в клетках есть теломераза, то они просто восстанавливают свои теломеры после каждого деления и потому могут делиться бесконечно. Введение в них теломеразы[117] даже в обычные клетки может продлить им жизнь.

Однако, как это часто бывает в биологии, все не настолько просто. С каждым делением клетки теряют значительно больше ДНК, чем следует из предсказания Уотсона и Оловникова. К тому же они перестают делиться еще до того, как исчезает весь теломерный участок хромосомы. И последнее: даже если теломеры имеют особую последовательность оснований, было непонятно, почему клетка не принимает их концы за разрыв и не включает ответ на повреждение.

Оказалось, что теломеры имеют особую структуру, в которой конец одной нити ДНК длиннее другой[118]. Более длинная нить сворачивается в петлю и с помощью специальных белков образует защитный комплекс[119], который называется шелтерином[120], поскольку укрывает и защищает концы ДНК. Именно из-за этой структуры клетка[121] не воспринимает концы хромосом как двухцепочечные разрывы. Отсутствие или дефицит шелтерина может быть фатальным, и даже незначительная его нехватка приводит к хромосомным аномалиям и преждевременному старению клетки, даже если теломеры нормальной длины.

Утратив определенное количество теломерной ДНК, хромосома больше не может создавать эти особые структуры. Клетка начинает воспринимать[122] незащищенные концы ДНК как разрывы и запускает ответную реакцию на повреждение, отдавая другим клеткам команду совершить самоубийство или перейти в состояние сенесценции (то есть перестать делиться). Науке до сих пор неизвестно, почему одни клетки, например те, которые изучал Леонард Хейфлик, становятся сенесцентными (стареющими), а другие самоуничтожаются. Возможно, клетки, критически важные для поддержания здоровья и регенерации тканей, в том числе стволовые, предпочитают самоуничтожаться, чтобы избежать передачу поврежденной ДНК потомству.

Выявленные процессы хорошо помогают понять, как ведут себя клетки в культуре, но проливают ли они свет на то, почему мы стареем? Можно ли с их помощью объяснить, почему наша продолжительность жизни именно такова? И почему в большинстве наших клеток теломераза не производится? Если запустить ее синтез, может быть, мы перестанем стареть?

Люди с дефектами теломеразы[123] или с ее дефицитом преждевременно начинают страдать заболеваниями, связанными со старением. Точно так же как постоянный стресс[124], по-видимому, заставляет нас как бы быстрее стареть. Человек выглядит осунувшимся, и даже волосы могут раньше времени поседеть. Стресс также может стать причиной многих заболеваний, которые мы обычно связываем со старостью. Он воздействует на организм во многих аспектах, и то, как именно он влияет на процесс старения, объяснить довольно сложно. Но мы точно знаем, что стресс ускоряет укорачивание теломер. В состоянии стресса наш организм вырабатывает гораздо больше кортизола – его называют гормоном стресса, – который подавляет активность теломеразы.

Можно было бы предположить, что животные, для которых характерны длинные теломеры, будут жить дольше, однако у мышей, которые обычно живут не более двух лет в лаборатории и значительно меньше в дикой природе, теломеры значительно длиннее, чем у нас. Возможно, дело в том, что их теломеры намного быстрее укорачиваются[125]. Тем не менее, если у мышей с дефицитом теломеразы реактивировать этот фермент, можно обратить вспять процесс дегенерации тканей, вызванный старением. Согласно результатам ряда исследований, у мышей, которым с помощью генной инженерии[126] дополнительно удлинили теломеры, наблюдается меньше признаков старения и увеличивается продолжительность жизни. Вероятно, у этих животных большая длина теломер компенсируется их быстрым укорачиванием.

Многие биотехнологические компании, основываясь на результатах подобных исследований, внедряют в клетку ген, кодирующий теломеразу, или используют различные препараты для активации такого гена, если он уже есть. Некоторые компании ищут способы включения этого фермента лишь на время, поскольку постоянная выработка теломеразы может вызвать развитие рака. Вначале многие из этих экспериментов были направлены на изучение определенных заболеваний, причиной которых, как предполагают, является аномальное укорачивание теломер. Однако эффективность и долговременные последствия подобных стратегий мы пока оценить не можем.

Открытие теломеразы вызвало немалое волнение среди исследователей онкологических заболеваний. Поскольку раковые клетки активируют теломеразу, ученые решили, что это можно использовать в борьбе с раком: если удастся подавить или отключить выработку теломеразы, вероятно, можно уничтожить раковые клетки. В то же время такое отключение потенциально создает опасность ускоренного укорачивания теломер, что может не только привести к раннему старению и развитию различных заболеваний, но и из-за разрушения теломер вызвать перестройку хромосом, которая, как ни парадоксально, может, в свою очередь, стать причиной рака. По всей видимости, существует хрупкое равновесие[127] между укорачиванием теломер и старением, с одной стороны, и повышенным риском развития рака, с другой, и не исключено, что нормальный процесс выключения синтеза теломеразы в большинстве наших клеток – это механизм, предохраняющий от рака на ранних этапах жизни. Идея подобного равновесия также подтверждается результатами одного исследования, показавшего, что люди с короткими теломерами подвержены дегенеративным расстройствам, включая органную недостаточность, фиброз и другие симптомы старения. С другой стороны, длинные теломеры[128] связаны с повышенным риском меланомы, лейкемии и других форм рака. Это означает, что нам придется еще пройти некоторый путь, прежде чем манипуляции с теломеразой станут успешной стратегией в борьбе с раковыми заболеваниями и старением.

В двух последних главах мы говорили о том, что в генах содержится программа, управляющая сложным процессом жизни. В главе 5 мы увидим, что, даже если не принимать во внимание изменения, вызванные повреждениями ДНК и теломер, сценарий жизни, записанный в нашем геноме, не является непреложным. Он меняется и приспосабливается на ходу, в зависимости от своей истории и окружающей среды. Возможность по-своему трактовать сценарий, как дирижер интерпретирует партитуру, а режиссер – киносценарий, лежит в основе некоторых самых фундаментальных процессов жизни, включая тот, который превращает единственную клетку в полноценный организм. Если же интерпретация искажена, это тоже является одной из основных причин болезней и старения.