Теломеры - это "колпачки", которые защищают концы нитей ДНК от разрушения клеткой. Они состоят из участков повторяющихся последовательностей ДНК в сочетании со специфическими белками на концах хромосом — плотно сплетенных структур ДНК и белков внутри клеток. Теломеры играют определенную роль в том, насколько быстро стареют клетки, хотя как именно, до конца не ясно.
У организмов без круглых хромосом — включая человека, других животных, растения и даже одноклеточных протистов — есть теломеры. Теломеры действуют как барьеры, предотвращая деградацию и повреждение ДНК.
Если бы наши клетки не имели теломер, клеточный механизм "отгрыз бы концы хромосом и уничтожил бы важные гены", - говорит Ян Карлседер (откроется в новой вкладке), профессор Института биологических исследований Салк в Калифорнии и директор Центра Гленна по изучению биологии старения при Институте Салк. Клетка может также присоединить конец одной хромосомы к концу другой, что, по его словам, было бы "катастрофическим событием" для клетки.
"Поскольку наши хромосомы представляют собой линейные участки ДНК, развилась структура, называемая теломерой, которая защищает естественные концы хромосом от распознавания их как повреждений ДНК", - сказал Карлседер в интервью Live Science.
Каждый раз, когда клетка делится, часть повторяющейся последовательности в теломере теряется. Когда теломеры становятся слишком короткими для эффективного функционирования, клетка либо умирает, либо перестает делиться. Поскольку большинство клеток не могут восстанавливать свои теломеры, с возрастом они становятся короче. Скорость укорочения теломер также связана с темпами старения.
Какова функция теломер?
У человека и всех позвоночных теломеры повторяют нуклеотидные последовательности TTAGGG — две молекулы тимина, одна аденина и три молекулы гуанина. Нуклеотиды - это молекулы, составляющие последовательность ДНК. У человека эта последовательность может повторяться около 3 000 раз, но у разных видов животных количество повторов различно. На конце теломеры имеется своеобразный "узел", называемый Т-петлей, который поддерживается специфической белковой структурой, называемой комплексом шелтерин. Т-петля и шелтерин затрудняют разрушение ДНК на конце хромосомы, а повторяющиеся последовательности обеспечивают слои генетического кода, которые клетка может разрушить, не вмешиваясь в ДНК, необходимую ей для функционирования.
В большинстве клеток теломеры со временем становятся короче, поскольку клетка уничтожает все больше своего генетического кода. Однако некоторые клетки, например, стволовые клетки, которые создают множество типов специализированных клеток организма, и клетки зародышевой линии, из которых формируются яйцеклетки и сперматозоиды, могут использовать фермент теломеразу для восстановления своих теломер. Некоторые исследования показывают, что могут существовать способы незначительного увеличения длины теломер в других типах клеток.
Теломеры и старение.
Большинство клеток не могут восстанавливать свои теломеры, в результате чего они становятся короче в течение жизни как клетки, так и организма. "Укорочение теломер действительно устанавливает срок жизни наших клеток, ограничивая количество удвоений популяции или пролиферации, которые могут пройти клетки", - говорит Карлседер.
С тех пор как биолог Элизабет Блэкберн, получившая Нобелевскую премию (откроется в новой вкладке), раскрыла природу теломер и существование фермента теломеразы, многие исследования подтвердили связь между биологическим возрастом, длиной теломер, общим состоянием здоровья и смертностью.
Исследование 2003 года в журнале "Ланцет" (откроется в новой вкладке) показало, что в выборке внешне здоровых людей старше 60 лет, за которыми исследователи следили в течение длительного времени, люди с более короткими теломерами имели более высокие показатели смертности как от сердечно-сосудистых, так и от инфекционных заболеваний. В 2013 году первое в своем роде исследование (откроется в новой вкладке) показало, что изменение образа жизни в плане физических упражнений, диеты, управления стрессом и социальной поддержки было связано с увеличением длины теломер в небольшой группе мужчин с низким риском рака простаты. Обзор 2022 года (откроется в новой вкладке) показал, что регулярная умеренная или энергичная физическая активность, по-видимому, способствует сохранению длины теломер. Скорость укорочения теломер была связана с продолжительностью жизни у различных организмов. Исследование, опубликованное в 2019 году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (откроется в новой вкладке), показало, что хотя общее измерение длины теломер организма не имеет корреляции с продолжительностью жизни, чем быстрее сокращалась длина теломер организма, тем короче была продолжительность его жизни.
"Точные причины старения до сих пор не понятны, и неясно, почему некоторые виды живут менее 1 [дня], а другие могут прожить более 400 [лет]", - говорится в поразительном открытии исследования. Теломеры могут помочь пролить свет на эту давнюю загадку.
Исследование 2021 года, опубликованное в журнале GeroScience (открывается в новой вкладке), предполагает, что последствия длины теломер могут влиять на то, насколько старым выглядит человек. Исследователи изучили результаты опроса более 400 000 участников UK Biobank - большой базы данных, содержащей информацию о здоровье людей, проживающих в Великобритании. Они обнаружили, что люди с генетическими предикторами большей длины теломер чаще говорили, что люди склонны считать, что они выглядят моложе своих лет.
По теме: что такое «голубые зоны» и действительно ли они хранят секреты долголетия?
Теломеры и рак.
Одним из основных способов связи теломер со здоровьем является риск развития рака. Когда теломеры становятся очень короткими, ДНК, копируемая во время деления клеток, чаще повреждается, что может повысить риск развития рака.
Еще один способ, при котором нарушение работы теломер может привести к раку, - это если фермент теломераза становится активным в клетках, где его не должно быть.
"Практически каждая раковая клетка нашла механизмы поддержания теломер и преодоления пути укорочения теломер", - сказал Карлседер. "И именно это делает раковые клетки бессмертными"
Организм пытается противостоять раку, предотвращая деление клеток с чрезмерно короткими теломерами, что называется старением.
Карлседер вместе с группой исследователей Института Салка завершил исследование, опубликованное в 2023 году в журнале Nature (открывается в новой вкладке), показав, как теломеры могут запускать клеточную смерть: Они разговаривают с митохондриями клетки, поставщиками энергии, чтобы вызвать смертельное воспаление во время кризиса - начала запрограммированной клеточной смерти в ответ на критически короткие теломеры. Этот процесс проливает свет на то, как теломеры помогают предотвратить перерождение клеток в раковые.
Хотя некоторые исследования (откроется в новой вкладке) показывают, что защита или даже восстановление теломер может увеличить продолжительность жизни, Карлседер говорит, что риск возникновения рака делает это сомнительным.
“Я бы очень предостерег от подходов, которые просто удлиняют теломеры,” сказал он. “Мы знаем, что это приведет к раку, и не обязательно к долгой жизни”
По его словам, вместо того, чтобы пытаться увеличить продолжительность жизни и обратить старение вспять, исследователи должны больше внимания уделять увеличению "продолжительности здоровья"— количеству времени, которое люди проводят в добром здравии.
Одна из целей процесса старения “действительно состоит в том, чтобы предотвратить возникновение рака", - сказал Карлседер. "Мы должны приветствовать старение как механизм подавления рака".
