Нобелевская премия по биологии и медицине 2009г.

Нобелевская премия по биологии и медицине 2009 г. за «открытие теломеразы и установление роли этого фермента в защите концов хромосом» была получена тремя выдающимися учеными из США. В России реакцией на это известие стала волна критики в СМИ, поддержанная видными академиками. Волна официального негодования поддерживается на научных форумах представителями широкой научной общественности. Суть недовольства заключается в том, что премией – в который раз – обойден российский ученый. Утверждается, что функцию теломер точно предсказал Алексей Оловников, а работы лауреатов лишь подтвердили эту гипотезу с более чем десятилетним запозданием.

В чем же суть нобелевских результатов Блекберн, Шостака и Грейдер и как они соотносятся с гипотезой Оловникова? Теломеры – это концы линейных хромосом. Роль теломер в обеспечении «правильности» и стабильности наследования хромосом стала очевидной еще в 1930-е гг. (под правильностью и стабильностью понимается, что каждая из дочерних клеток получает весь набор материнских хромосом и процесс этот может происходить бесконечное количество раз). Также было понятно, что теломеры разных хромосом взаимозаменяемы. На начало 1980-х гг. механизм стабилизирующей функции хромосом был неизвестен. Основное направление научной работы Лиз Блекберн до получения ею нобелевских результатов состoяло в изучении линейных ДНК инфузории Tetrahymena. Этот одноклеточный организм имеет гигантские по сравнению с обычными клетками размеры, и поэтому генов, находящихся собственно в геноме, оказывается недостаточно для обеспечения нужд огромного объема цитоплазмы. Проблема решается за счет амплификации (увеличения количества копий) некоторых важных генов. При этом каждый амплифицированный ген находится на отдельной линейной молекуле ДНК. Эти линейные молекулы «правильным образом» распределяются в дочерние клетки, т.е. ведут себя как мини-хромосомы. Концы таких мини-хромосом можно считать теломерами.

Изучение механизмов наследования мини-хромосом у инфузорий  затруднялось методическими сложностями работы с инфузориями, в частности невозможностью применения мощных генетических подходов. Джек Шостак занимался изучением плазмид (небольших самореплицирующихся молекул ДНК) у дрожжей, одного из излюбленных объектов молекулярной биологии и генетики. Он показал, что, в то время как кольцевые плазмиды стабильно наследуются при делении дрожжевых клеток, линейные плазмиды, напротив, быстро теряются. Хотя хромосомы дрожжей линейные, они не теряются и наследуются стабильно. В чем причина различного поведения линейных плазмид и хромосом? В работе, опубликованной в 1982 г., Шостак и Блекберн показали, что если поместить концевые участки (теломеры) линейных амплифицированных молекул ДНК инфузории на концы линейных плазмид дрожжей, то такие гибридные плазмиды наследуются стабильно. Шостак после публикации этой работы проблемой теломер фактически не занимался. Однако созданная им экспериментальная система позволила легко детектировать функцию теломер (по способности обеспечивать стабильное наследование линейных плазмид) в дрожжах. Так как в распоряжении молекулярных биологов имеется огромный арсенал эффективных методов для изучения дрожжей, дальнейший прогресс был делом техники. Очень скоро стало понятно, что для стабилизации наследования линейных плазмид необходимо и достаточнo наличие концевой короткой последовательности ДНК. Эта последовательность должна быть повторена несколько раз и носит название теломерного повтора. Очень важно, что получить такие данные в Tetrahymena, организме, с которого все начиналось, было бы невозможно ни тогда ни сейчас.

То, что один и тот же участок ДНК функционирует и в инфузории, и в дрожжах, организмах, эволюционно отстоящих друг от друга очень далеко, означало, что исследователи имели дело с фундаментальным механизмом, обеспечивающим стабильное наследование линейных молекул ДНК во многих или даже во всех живых организмах. Таких механизмов может быть великое множество (например, «закольцовывание» линейных молекул ДНК в момент деления клетки, когда вероятность потери линейной ДНК наиболее велика). Задача состояла в том, чтобы определить, какой механизм реализуется на самом деле.

Понятно, что молекулярная машина, обеспечивающая стабильное наследование линейной ДНК, должна узнавать теломеры и что-то такое с ними делать (в приведенном выше примере – «закольцовывать» линейные молекулы). Такая машина, теломераза, былa выделенa и охарактеризованa Кэрол Грейдер, в то время аспиранткой Блекберн. Выделение теломеразы проводилось из Tetrahymena. В качестве своеобразной «приманки», с помощью которой проводилось выделение, использовали фрагменты теломер, границы которых были определены в опытах с дрожжами. Использование экстрактов клеток инфузорий при охоте за теломеразой методически очень важно. Ведь в клетках этого организма количество теломер резко повышено за счет амплификации отдельных генов. Увеличение количества теломер должно сопровождаться увеличением количества фермента, который их узнает. Механизм действия и устройство теломеразы оказались совершенно уникальными. Высказанная выше гипотеза о «циклизации» оказалась неверной, хотя до выделения теломеразы и определения ее свойств эта гипотеза имела полное право на существование. Теломераза содержит, в отличие от большинства ферментов клетки, не только молекулу белка, но и молекулу РНК, последовательность которой соответствует теломеразному повтору. За счет комплементарных взаимодействий, идентичных тем, которые обеспечивают структуру двойной спирали ДНК, РНК-компонент теломеразы узнает теломеразный повтор, а белковая часть молекулы удлиняет конец молекулы ДНК, используя последовательность РНК как матрицу. Процесс этот может повторяться много раз, что и приводит к образованию теломерных повторов на концах хромосом.

Удлинение теломер теломеразой и обеспечивает стабильное наследование хромосом. Дело в том, что двойная спираль ДНК состоит из цепей с 3′- и 5′-концами. А фермент, который реплицирует ДНК, используя каждую из родительских цепей как матрицу для образования двух дочерних двойных спиралей, работает лишь в одном направлении: от 5′- к 3′-концу. Кроме того, фермент репликации не может начинать синтез «с чистого листа», а требует затравки – короткой молекулы РНК, которая помещается на каждую из родительских цепей ДНК специальным (другим) ферментом. Так вот, однонаправленность синтеза дочерних цепей и необходимость затравки для начала синтеза приводят к тому, что один из концов каждой из родительских цепей ДНК не может быть реплицирован полностью. С каждым актом репликации ДНК (и последующим клеточным делением) длина молекул ДНК будет укорачиваться на длину РНК-затравки. Понятно, что рано или поздно это приведет к неприятным для клетки последствиями. Теломерные повторы сами по себе не кодируют никакой информации. Они представляют собой концевые заглушки, которые в процессе репликации ДНК могут быть до определенной степени укорочены без каких-либо нежелательных последствий. А теломераза компенсирует укорочение теломер за счет удлинения «нереплицированной» цепи родительской ДНК путем наращивания количества повторов. Образованные в результате действия теломеразы длинные одноцепочечные концы ДНК могут быть использованы для посадки затравки РНК и синтеза недостающей части дочерней цепи без нарушения принципа однонаправленности синтеза дочерних молекул.

Выделение теломеразы и описание механизма ее действия открыло новую область молекулярной биологии, оказало большое влияние на понимание механизмов бессмертия раковых клеток и привело к разработке новых методов медицинской диагностики. Однако теломераза, по-видимому, не имеет непосредственного отношения к старению. Очевидно, что работа, приведшая к открытию теломер и теломеразы, имела свою внутреннюю логику, а ее результат не мог быть заранее предсказан. Как это часто бывает в биологии, потребовалось везение в виде выбора объектов исследования, соответствующих задаче. Теломераза и теломеры могли быть выделены лишь из Tetrahymena или другого подобного организма, в котором наличие мини-хромосом приводит к аномально высокому количеству и теломеразы, и теломер. И даже в этом случае потребовалось исключительно тщательное планирование экспериментов, сотрудничество с ведущими специалистами из других областей, множество проб и ошибок. Позднее соответствующие ферменты и последовательности ДНК были с относительной легкостью обнаружены в других организмах, однако их обнаружение de novo было бы невозможно.

Оловников опубликовал свою чисто теоретическую статью в ДАНе в 1971 г., а в 1972-м – в Journal of Theoretical Biology. Он рассмотрел проблемы, связанные с репликацией концов молекул ДНК, и пришел к выводу, что генетический материал на каждом из концов должен теряться при репликации. Чтение его статьи не оставляет сомнений в том что, по мнению Оловникова, основные проблемы репликации концов связаны не с необходимостью восстановления последовательности ДНК на месте концевой РНК-затравки (см. выше), а с другим механизмом, который должен происходить на противоположном конце ДНК. Сейчас понятно, что проблемы репликации концов в том виде, в котором она представлялась главной для Оловникова, не существует. Оловников предложил несколько гипотетических механизмов решения проблемы репликации концов. Эти механизмы интересны, но ни один из них не осуществляется в настоящих теломерах. Таким образом, предложенные им способы сродни гипотетическому механизму «циклизации» линейных молекул: красиво, но неверно. Самая интересная часть работы Оловникова – это предложенная им связь между естественным пределом количества делений нормальных клеток и укорочением концов хромосом, вызванным репликацией. Это прекрасная идея, которая естественным образом привела Оловникова к мысли, что в бессмертных раковых клетках концы хромосом постоянно надстраиваются (как мы теперь знаем, теломеразой), а в нормальных клетках – нет.

Достойна ли работа Оловникова Нобелевской премии? Эта прекрасная работа ставит проблему и предлагает остроумные (и неправильные) способы ее решения. Самая оригинальная часть работы вообще имеет отношение к проблеме старения клеток, т.е. к тому, что, как мы теперь знаем, не имеет отношения к теломерам. Безусловно, работа Оловникова могла бы оказать большое влияние на развитие науки о теломерах. Одна из причин ее незамеченности – излишнее использование «высоконаучных» терминов. Вместо проблемы репликации концов ДНК (DNA ends replication problem) обсуждается теория «маргинотомии» и вводится ряд новых терминов, ни один из которых не прижился. С другой стороны, само множество механизмов решения проблемы, обсуждавшееся Оловниковым, делало нереальным экспериментальную проверку каждого из них. Работы Блекберн и ее коллег позволили найти верное решение не путем перебора различных гипотетических возможностей, а путем последовательного научного поиска и содержательного экспериментального «диалога» с Природой. Ведь в биологии и истина прячется в мелких деталях, и то, как оно могло бы быть, менее важно, чем то, как оно устроено на самом деле.

По материалам статьи: Северинов К. «Теломераза – наше все?» // Троицкий вариант. 2009. № 20.