<< Предыдушая Следующая >>

Смертность нормальной соматической клетки: молекулярные причины

В 1891 г. известный биолог А. Вейсманн (A. Wesmann) впервые предпо- ложил, что соматические клетки животных и человека «должны иметь ограни- ченный потенциал деления», т.е. они смертны. Но ученый не дал подтвержде- ний этому предположению.

Знания о том, что соматическая клетка того или иного типа у человека смертна или бессмертна очень важно для понимания раковой клетки.

Для решения вопроса – смертна или бессмертна сама по себе нормальная клетка, имеются два метода:

1) нормальную клетку после выделения из ткани организма можно перенести на питательную среду, т.е. в культуру и проследить ее способность к размножению;

2) нормальную клетку из ткани организма можно пассировать на изогенных лабораторных животных, пометив ее специфическим маркером для отличия от нормальных клеток хозяина.

По наличию размножения клетки можно сделать вывод – смертна или бессмертна нормальная клетка.

В начале XX в. А. Каррель – известный специалист по культуре клеток, – изучал этот вопрос в культуре фибробластов, взятых из сердца цыпленка.

По его данным, фибробласты в культуре имели неограниченную способность к размножению, т.е. они бессмертны. Это было признано открытием. Но оно просуществовало до 1961 г., когда было доказано, что это не так.

В 1961 г. Л. Хейфлик и П. Мурхед (Hayflick L. and Moorhead P.S.) на нормальных фибробластах от человека показали ограниченную способность фибробластов в культуре к делению, т.е., что они смертны. Перед началом своих опытов они исключили все артефакты и неадекватные условия культуры для изучаемых клеток.

В этих опытах ученые обнаружили, что фибробласты от эмбриона человека были живыми, т.е. удваивались в числе, в среднем до 50±10 раз. Чем старше донор, тем меньше удвоений делали взятые от него клетки. Фибробласты от человека 20 лет, уже делились только 30±10 раз. К концу среднего срока ни одна клетка уже не делилась, и клетки гибли. Этим было доказано, что нормальные клетки человека имеют ограниченную продолжительность жизни.

Предел числа деления нормальной клетки – 50±10, в литературе стали обозначать словами – «лимит Хейфлика».

В другом опыте ученые хранили часть клеток в жидком азоте при температуре –190° ниже нуля. В таких условиях клетки могут храниться сколько угодно. Но как только фибробласты оттаивали и помещали в питательную среду, они снова начинали делиться. При этом оказалось, что клетки «считают», сколько удвоений у них было до того, как их поместили в холодильную камеру, так как доводят число удвоений до положенного значения – 50±10. Например, клетки, помещенные на хранение после 30 делений, удваивались еще, но только

20 раз. Это означает, что причина ограниченного числа делений нормальной клетки, а затем ее смерть, является «внутренним свойством» самой клетки. Но какая причина делает клетки неспособными к делению и затем приводит их к смерти, ученые не смогли установить.

На основе анализа процесса репликации ДНК, проф. А.М. Оловников – предположил, что с каждым делением клетки «как-то меняется длина еe ДНК». Если это так, то причина «лимита Хейфлика» должна быть в процессе, который происходит в области концов каждой из цепей ДНК во время ее удвоения перед делением клетки. Так он в 1971 г. впервые в мире предсказал причину ограниченного числа деления нормальной клетки, предложив гипотезу – «маргинотомии». От лат. слова ?margo? – край и греч. ?tome? – отсечение, то есть усечение копии ДНК с краев.

Цепи ДНК расходятся, и на каждой из цепей достраивается еe копия с помощью фермента ДНК-полимеразы. Ясно, что цепь исходной ДНК – это матрица, по ней строится дочерняя цепь путем комплементарного связывания азо тистых оснований. В результате перед делением клетки удваивается ДНК, а с этим и хромосома.

В своей гипотезе ученый исходил из того, что фермент ДНК-полимераза – это не «точка», а объемная молекула. Ее каталитический центр достраивает дочернюю цепь ДНК, но занимает «лишь ничтожную часть молекулы». Остальные участки фермента каталитически неактивны. С их помощью фермент узнает матрицу и движется по ней, но в копировании цепи ДНК эти участки «не заняты».

По причине неактивных участков фермент синтезирует копию цепи: «либо не с самого начала матрицы (Рис. 1), либо не до самого ее конца» (Рис. 2). В результате дочерняя цепь получается короче, чем матрица. Поэтому после каждого деления дочерние клетки получают «в наследство» все более короткие молекулы ДНК. В этом и заключается «усечение копии ДНК с краев».

Еще в 1932 г. Нобелевский лауреат Г. Мюллер задолго до открытия структуры ДНК, понял, что концевые участки хромосом содержат материал, защищающий проксимально расположенные гены от разрушения. Он назвал эти концевые структуры теломерами (от греч. – telos – конец, meros – часть, доля).

Рис. 1.

Схема проксимальной маргинотомии ДНК

. а1 – молекула ДНК-

полимеразы с «правокраевым» расположением каталитического центра (рис. и цит. по: А.М. Оловников, 1971).

Рис. 2. Схема

дистальной маргинотомии ДНК

. а2 – молекула ДНК- полимеразы с «левокраевым» расположением каталитического центра (рис. и цит. по: А.М. Оловников, 1971).

По мнению A.M. Оловникова, усечение копии ДНК не дойдет до «исчерпания всей длины ДНК, а значит хромосомы», клетка перестанет делиться и погибнет раньше. Он допускал, что на концах ДНК находятся «буферные» гены, которые не кодируют белки, а лишь «страхуют клетку». Концевые гены называли телогенами. На каждом конце хромосомы находится по одному телогену. Гены, кодирующие белки, расположены ближе к середине хромосомы; если усечение не затрагивает их, клетка будет функционировать нормально.

«Буферный» ген состоит примерно из 50 сегментов. В процессе маргинотомии сегменты телогена утрачиваются. A.M. Оловников даже предположил, как это происходит. В процессе каждой репликации не воспроизводится крайний сегмент телогена, и так к 50-му делению клетки все сегменты телогена расходуются. Вместе с этим клетка утрачивает способность удваиваться, затем погибает.

Итак, маргинотомия ДНК в процессе деления нормальной клетки,– это и есть молекулярная причина и «счетчик» ограниченного числа деления, старения и смерти нормальной клетки.

Маргинотомия или укорочение теломер молекулы ДНК является повреждением ДНК клетки. Поэтому считают, что гибель клетки после «лимита Хейфлика» происходит через апоптоз. Это имеет биологический смысл: клетки всех тканей должны обновляться, иначе живое не может существовать. Так что природа живого предусмотрела ограничение числа делений нормальной клетки и ее гибель с этой целью.

При репликации дочерней молекулы ДНК в качестве матрицы используется одна из ее цепей: нематричная – для одной дочерней молекулы ДНК, матричная – «стяжками Оказаки назад» – для другой.
Предположение нашего ученого – проф. А.М. Оловникова о том, что репликация ДНК с помощью ДНК- полимеразы всегда происходит с укорочением концов дочерней молекулы, а значит и хромосомы, многие ученые называют открытием «на кончике пера» (А.Г. Голубев, 1996). Это предположение было подтверждено в 1972 г. Д. Уотсоном (J.D. Watson, 1972). Он учел другую особенность фермента при репликации ДНК, но с теми же последствиями, что предсказал A.M. Оловников.

Оказалось, что ДНК-полимераза не может синтезировать копию из нуклеотидов ни нематричной, ни матричной цепи, а может только достраивать уже существующую короткую цепочку нуклеотидов и только с 3’-конца растущей цепи ДНК. Что из себя представляет эта короткая цепочка нуклеотидов, и кто ее синтезирует?

Это короткая цепь из 10 до 20 нуклеотидов, комплементарных материнской цепи, т.е. матрице, и называется затравкой. Она образует начальный 5’- концевой участок дочерней цепи. Ее синтезирует другой фермент – РНК- полимераза, называемая праймазой (от англ. primer – затравка). ДНК-полимераза присоединяется к 3’-концу затравки и удлиняет дочернюю цепь комплементарными нуклеотидами в направлении от 5’ к 3’, но с 3’-конца затравки (Рис. 3).

Рис. 3.

Репликация нематричной цепи ДНК

: I-II – достраивание нуклео- тидами 3’-концов праймерами на нематричной цепи материнской ДНК; II-III – выщипление рибонуклеотидов праймерной РНК; III-IV – заполнение брешей от праймерной РНК, начиная от 3’-концов фрагментов Оказаки; V – дочерняя ДНК с укороченной нематричной цепью (рис. и цит. по: А.Г. Голубев, 1996).

После репликации дочерней цепи молекулы ДНК, крайняя затравка удаляется, т.е. выщипляется специальным ферментом. В матричной цепи также удаляется затравка из фрагментов Оказаки.

Удаление самой крайней затравки приводит к тому, что дочерняя цепь как нематричной, так и матричной цепи оказывается короче на длину затравки, т.е. на 10-20 нуклеотидов. В результате 3’-конец нематричной цепи материнской ДНК остается недореплицированным, а 5’-конец матричной цепи дочерней молекулы ДНК оказывается укороченным на длину затравки.

В результате этой особенности репликации, ведущей к укорочению 5’- конца дочерней цепи, 3’-конец нематричной цепи в дочерней молекуле ДНК получается ни с чем не спаренным и образует выступающий 3’-конец материнской цепи, его называют 3’-оверхенг. В нормальной клетке этот одноцепочечный конец уничтожается каким-либо ферментом, в результате дочерняя молекула укоротится с конца, а значит, укоротится перед делением клетки и хромосома.

Ясно, что с каждой последующей репликацией перед делением нормальной клетки, концы цепей дочерней молекулы ДНК – 3’- и 5’-конец – укорачиваются на величину затравки (Рис. 4).

Рис. 4.

Уничтожение выступающего 3’-конца нематричной цепи в дочерней молекуле ДНК

. В результате: укорочение 3’- и 5’-го конца цепей в дочерней молекуле ДНК на одинаковую длину.

Итак, то, что считалось сегментом телогена, теперь это – РНК-праймер, а телоген – это теломера, или теломерная ДНК.

Г. Мюллер (1932) раньше всех понял, что теломеры на концах хромосомы предохраняют хромосому от разрушения. Но многие годы о теломерах больше ничего не было известно, в частности, из чего они состоят.

Лишь в конце 1970-х – начале 1980-х годов американские генетики Е. Блэкберн и Дж. Голл открыли строение теломеры.

Оказалось, что теломера в хромосоме человека – это гексануклеотид с тимином на 5’-конце и целиком из гуанина – на 3’-конце, т.е. – ТТАГГГ. Эта последовательность создает концы молекулы ДНК, а в комплексе с белками, – концы хромосомы.

ТТАГГГ создает фрагмент Г-цепи, а комплементарные ему основания – фрагмент Ц-цепи. Такой двухцепочечный фрагмент многократно повторяется и создает концы молекулы ДНК, а в комплексе с белками – концы хромосомы. В литературе употребляются равнозначные термины – теломера или теломерная ДНК.

Именно теломера укорачивается на длину РНК-праймера при каждой репликации цепи перед делением клетки. Но укорачивается теломера, а гены при этом обычно не страдают.

Укорочение теломеры на величину праймера каждый раз перед делением клетки – это метка, указывающая сколько еще клетке осталось делиться, то есть жить.

Нормальная клетка прекращает делиться, когда ее теломеры становятся слишком короткими, чтобы защитить концы хромосом от склеивания или их неправильного распределения – анеуплоидии и пр. На этом этапе в клетке возникает сигнал на самоуничтожение, т.е. апоптоз, а не тогда, когда теломеры полностью «расходуются».

Потери теломеры на 10-20 нуклеотидов при каждом делении нормальной соматической клетки, позволяют ей делиться, т.е. жить не более «лимита Хейфлика»: 50±10 раз.

Итак, предположение немецкого биолога А. Вейсманн (1891) о том, что способность нормальной клетки к делению «не вечна, но ограничена», впервые нашло подтверждение в 1961 г. в работе Л. Хейфлик с П. Мурхедом в опытах с нормальными клетками в культуре. Однако, выяснить причины этого явления им не удалось.

В 1953 г. была открыта структура молекулы ДНК и, исходя из нее, был объяснен механизм ее репликации, которая необходима любой клетке перед ее делением.

Однако, в 1971 г. наш ученый, ныне сотрудник Института биохимической физики РАН, проф. А.М. Оловников, впервые обратил внимание на то, что ДНК-полимераза «не в состоянии» полностью копировать концы цепочек нуклеотидов молекулы ДНК. Следствием этого должно быть укорочение, т.е. недорепликация ДНК перед каждым делением нормальной клетки. Это и оказалось молекулярной причиной ограниченного числа деления нормальной клетки любого типа – лимит Хейфлика.

Проф. А.М. Оловников предсказал и способ, которым клетка могла бы решать эту проблему: «наращивание некодирующей белок последовательности нуклеотидов, которую не жалко было бы потерять при репликации» (акад. В.П. Скулачев, 1997).

По его мнению, для наращивания нуклеотидов необходим особый фермент. В 1985 г. его открыли другие ученые, – это фермент теломераза.

Понимание механизма работы и регуляции этого фермента позволит ученым глубже проникнуть в сущность процессов старения и бессмертия раковой клетки.

Акад. В.П. Скулачев (1997) писал так: «Работа А.М. Оловникова – один из немногих примеров, когда блестящая мысль отечественного ученого не осталась забытой, но, к сожалению, получила развитие, не у нас в стране, а за рубежом, причем приоритет автора общепризнан и нигде не подвергается сомнению».
<< Предыдушая Следующая >>
= Перейти к содержанию учебника =

Смертность нормальной соматической клетки: молекулярные причины

  1. Бессмертие раковой соматической клетки: молекулярные причины
    В организме человека есть некоторые типы клеток, которые преодолева ют недорепликацию ДНК перед делением и поэтому способны размножаться бесконечно, т.е. становятся бессмертными. К таким клеткам относятся: половые и стволовые клетки, лимфоциты, делящиеся во время иммунного ответа, и опухолевые клетки, в том числе, раковые клетки. В 1971 г. наш ученый – проф. А.М. Оловников предсказывал, что
  2. Нормальная соматическая клетка
    Нормальная соматическая
  3. Геном нормальной соматической клетки
    Геном нормальной соматической
  4. Протеом нормальной соматической клетки
    Протеом нормальной соматической
  5. Канцерогенез из стволовой клетки ткани: молекулярные причины
    Термин «канцерогенез» (от лат. ?carcinus? – краб и ?genere? – создавать) означает процесс превращения нормальной клетки в раковую клетку. Из нее путем деления, т.е. «из самой себя», образуется потомство дочерних клеток, т.е. рак. В настоящее время термин «рак» ограничен теми опухолями, которые возникают из эпителиальной раковой клетки, а все другие – из неэпителиальной клетки, обозначаются
  6. МИТОЗ - ДЕЛЕНИЕ СОМАТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ
    Наиболее универсальным способом деления соматических клеток, т.е. клеток тела (от греч. soma - тело), является митоз. Этот вид деления клеток был впервые описан немецким гистологом В.Флемингом в 1882г., который наблюдал возникновение и описал поведение нитчатых структур в ядре в период деления. Отсюда происходит и название процесса деления - митоз (от греч. mitos – нить). При митотическом
  7. Раковая соматическая клетка
    Раковая соматическая
  8. Метастазирование раковых клеток: молекулярные причины и пути предотвращения
    Другим, еще более опасным следствием свойства инвазии раковых ство- ловых клеток, является образование ими метастазов в различных органах пациента. Метастаз – это вторичный очаг рака, образующийся из-за метастазирования раковых клеток в отдаленные органы. Метастазирование (от греч. metastasis – перемещение) – процесс переноса раковых клеток по кровеносным и лимфатическим сосудам из
  9. Инвазия раковых клеток: молекулярные причины и пути пре- дотвращения
    В истории первым методом лечения рака было хирургическое иссечение, хотя в I в. н.э. делались попытки лечения рака лекарствами (W.R. Belt, 1957). Уже тогда хирурги столкнулись с трудностями иссечения рака: очень часто возникал в области иссечения «возврат», т.е. рецидив рака, и крайне редко – «местное» излечение. Это заставило хирургов разрабатывать принципы операций при раке. Ибн
  10. Передача сигнала извне для деления нормальной клетки
    Организм взрослого человека из 5.1013-14 клеток (В.Н. Сойфер, 1998 и др.). По признакам структуры и функции эти клетки разделены на типы, – их более 200. Функции любого типа клетки в многоклеточном организме определяются генами через их продукты – белки. В разных клетках имеет место экспрессия разных генов, остальные гены «молчат». Клетка в организме – его часть; своими функциями она
  11. Гипоксемия при нормальной рентгенограмме грудной клетки
    Глубокая, угрожающая жизни гипоксемия может возникать и без выраженных изме­нений на рентгенограмме легких. В таких случаях наиболее вероятными ее механизмами являются скрытое шунтирование и резкое нарушение отношения V/Q (см. табл. 24.1). Причинами могут стать внутрисердечный или внутри-легочный шунт, астма и другие формы обструкции дыхательных путей, малый объем легких на фоне высокого объема
  12. Потенциал покоя и потенциал действия в нормальных клетках синусового и атриовентрикулярного узлов
    Электрическая активность клеток синусового и АВ-узлов весьма отличается от таковой в клетках специализированной проводящей системы желудочков или рабочего миокарда предсердий и желудочков, обсуждавшихся ранее. Благодаря своим необычным электрофизиологическим характеристикам клетки узлов часто принимают участие в инициации и поддержании аритмии. Ввиду существования значительных различий между
  13. Потенциал покоя и потенциал действия в нормальных предсердных и желудочковых клетках и в волокнах Пуркинье
    Нормальное регулярное сокращение сердца сопровождается циклическими изменениями мембранного потенциала миокардиальных клеток. Применение внутриклеточных микроэлектродов позволяет прямо определить изменения мембранного потенциала; как было показано, при распространении возбуждения по сердцу они варьируют по амплитуде и развитию во времени [3]. Микроэлектродная техника включает введение тонкого
  14. Протеом клетки – значение для медицины, ранней диагностики раковой клетки и излечения рака
    Скоро нынешняя медицина уйдет в прошлое. Давняя мечта П. Эрлиха – иметь лекарство без нанесения вреда пациенту – «волшебную пулю», станет реальностью. Оно будет уничтожать: при инфекциях – возбудителей, при раке – раковую стволовую клетку, не повреждая здоровых клеток, действуя на белок, вызывающий болезнь. Для каждого пациента будут создаваться индивидуальные лекарства. Это началось после
  15. Смертность
    Данные по смертности от бронхиальной астмы недостаточно информативны. Это, по-видимому, связано с неточностями в указании бронхиальной астмы как основной причины смерти в отчетных до­кументах. Наиболее высокие показатели приводятся по Новой Зеландии, Австралии и Англии (Уэльс) (>1 : 100000). В этих же странах были выявлены две волны повышения смертности: во второй половине 1960-х-начале 1970-х и
  16. Материнская смертность
    Материнская смертность — один из основных критериев качества и уровня организации работы родовспомогательных учреждений, эффективности внедрения научных достижений в практику здравоохранения. Однако большинство ведущих специалистов рассматривают этот показатель более широко, считая материнскую смертность интегрирующим показателем здоровья женщин репродуктивного возраста и отражающим популяционный
  17. МАТЕРИНСКАЯ СМЕРТНОСТЬ И ПУТИ ЕЕ СНИЖЕНИЯ
    Важнейшим показателем качества и уровня организации охраны здоровья матери и ребенка является показатель материнской смертности. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет понятие материнской смертности как смерть женщины во время беременности или в течение 42 дней после ее окончания независимо от причин, связанных с протеканием беременности или ее ведением, не связанных с
Медицинский портал "MedguideBook" © 2014-2019
info@medicine-guidebook.com