05.11.2009

Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2009

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2009 года присуждена Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы». Механизм защиты хромосом от укорачивания при каждом делении был впервые предсказан в 1971 году Алексеем Матвеевичем Оловниковым;

(Алексей Матвеевич Оловников, сотрудник Института биохимической физики РАН, в 1971 году сформулировавший теоретическую концепцию, предполагавшую существование фермента, открытого в начале восьмидесятых годов Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн и названного ими теломеразой. Исследования этого фермента, проведенные в лабораториях Блэкберн и Шостака, подтвердили справедливость ряда теоретических выводов Оловникова впоследствии его теоретические построения были подтверждены на практике экспериментаторами, которые и удостоились этой Нобелевской премии. )

Премию по физиологии и медицине в этом году вновь, уже третий раз подряд, разделят трое ученых. Она присуждена «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы» («for the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase»). Первооткрыватели теломеразы и обеспечиваемого этим ферментам механизма защиты хромосом от укорачивания живут и работают в США. Это Элизабет Блэкберн (Elizabeth H. Blackburn) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California, San-Francisco), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) из Школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) и Джек Шостак (Jack W. Szostak) из Гарвардской школы медицины (Harvard Medical School).

Теломеры играют определенную роль в возрастных изменениях клеток и всего организма и в развитии злокачественных заболеваний. Дальнейшие исследования их динамики и принципов работы удлиняющего их фермента теломеразы могут помочь найти новые пути борьбы со старением и раком.

Теломеры — концевые участки хромосом, состоящие из повторяющихся последовательностей нуклеотидов, — были открыты в пятидесятые годы XX века. Теломеры можно увидеть даже в световой микроскоп: готовящиеся к делению или делящиеся клетки можно окрасить таким образом, чтобы теломеры отличались по цвету от центральных частей каждой хромосомы. Теломеры имеются только у эукариот (организмов, в клетках которых есть ядро), а у бактерий и архей хромосомы замкнуты в кольцо и теломер не имеют. Эти концевые участки хромосом не содержат генов: записанная на теломерах информация не считывается на матричные РНК и ничего не кодирует. Собственно, информации в теломерах содержится довольно мало, ведь они состоят из повторяющихся одинаковых последовательностей нескольких нуклеотидов. Эти последовательности довольно однообразны. В частности, у всех позвоночных, а также у многих грибов и протистов это всегда ЦЦЦТАА, а у высших растений — по-видимому, всегда ЦЦЦТААА.

Алексей Матвеевич Оловников, сотрудник Института биохимической физики РАН, в 1971 году сформулировавший теоретическую концепцию, предполагавшую существование фермента, открытого в начале восьмидесятых годов Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн и названного ими теломеразой. Исследования этого фермента, проведенные в лабораториях Блэкберн и Шостака, подтвердили справедливость ряда теоретических выводов Оловникова. Поначалу функции теломер были неизвестны, как не была известна и последовательность входящих в их состав нуклеотидов. В конце пятидесятых годов был открыт фермент ДНК-полимераза, обеспечивающий удвоение молекул ДНК. Чтобы начать работать, этот фермент должен присоединиться к синтезируемому другим ферментом праймеру — короткому сидящему на цепочке ДНК фрагменту РНК, который впоследствии удаляется. При этом ДНК-полимераза может двигаться по цепочке ДНК только в одном направлении — от 5'-конца к 3'-концу. В результате ДНК-полимераза не может полностью скопировать всю молекулу ДНК: на одном из концов, к которому она прикрепляется, должен оставаться нескопированный фрагмент. На это впервые обратили внимание, независимо друг от друга, Алексей Матвеевич Оловников (Оловников А.М. 1971. Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов // Доклады АН СССР. Т. 201. С. 1496–1499; Olovnikov A.M. 1973. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon // Journal of Theoretical Biology. V. 41. P. 181–190) и Джеймс Уотсон (Watson J.D. 1972. Origin of concatemeric T7 DNA // Nature New Biology. V. 239. P. 197–201). Получалось, что хромосомы должны укорачиваться при каждом делении клетки за счет некопируемых концевых участков. Уотсон предположил, как эта проблема должна решаться у бактериофагов, ДНК которых тоже не замкнута в кольцо, а Оловников описал, как она может решаться у эукариот, и выдвинул гипотезу о существовании фермента, способного добавлять к концу хромосомы повторяющиеся последовательности. Он также предположил, что регуляция работы этого фермента может играть ключевую роль в старении организма (за счет постепенного укорачивания концевых участков хромосом у клеток, которые должны разделиться лишь ограниченное число раз) и что неполадки в механизме такой регуляции могут быть причиной бесконтрольного деления клеток злокачественных опухолей.

Вскоре в теломерах некоторых организмов были действительно открыты повторяющиеся последовательности. Опыты, проведенные в лаборатории Джека Шостака в Гарвардской школе медицины, показали, что чужеродные фрагменты ДНК, внедренные в клетки дрожжей, способны удваиваться, но, в отличие от собственной ДНК дрожжей, существуют в делящихся клетках недолго. Элизабет Блэкберн, будучи аспиранткой в Кембридже, освоила разработанные на тот момент методики секвенирования ДНК (чтения последовательности нуклеотидов) и впоследствии в Йеле установила, какая именно последовательность повторяется на концах хромосом у инфузории Tetrahymena thermophila (ЦЦЦЦАА). Встретившись на конференции в 1980 году, Шостак и Блэкберн задумали совместный эксперимент, результаты которого указывали на то, что именно теломеры защищают собственные хромосомы дрожжей от деградации при неоднократном делении клеток. Исследователи присоединили фрагменты с повторяющейся последовательностью нуклеотидов, обнаруженной у инфузории, к небольшим чужеродным фрагментам ДНК и внедрили полученные молекулы в дрожжевые клетки. Такие молекулы успешно удваивались в дрожжевых клетках, наряду с собственными хромосомами дрожжей, причем на их концах в итоге оказывалась повторяющаяся последовательность нуклеотидов, свойственная собственным теломерам дрожжей. Публикация этих результатов в журнале Cell была первой работой, экспериментально показавшей защитную роль теломер.

Концевой участок хромосомы — теломера (telomere). Каждая хромосома (chromosome), содержащаяся в ядре (nucleus) клетки (cell), перед делением клетки представлена двумя одинаковыми половинками — хроматидами, в основе каждой из которых лежит одна очень длинная, но компактно свернутая молекула ДНК, на каждом конце которой расположены участки из повторяющихся последовательностей. Эти концевые участки и есть теломеры. При подготовке к делению, когда хроматиды удваиваются, концы каждой хромосомы всегда укорачивались бы (механизм удвоения ДНК не позволяет их копировать), если бы фермент теломераза не наращивал на концах новые повторяющиеся последовательности. Иллюстрация с сайта журнала Nature (www.nature.com)

Шостак и Блэкберн, вслед за Оловниковым, предположили, что наращивание теломер обеспечивается определенным ферментом. Начались поиски этого фермента. В 1984 году его впервые смогла выделить Кэрол Грейдер, бывшая тогда еще студенткой и работавшая под руководством Элизабет Блэкберн. В статье, также опубликованной в Cell, Грейдер и Блэкберн впервые описали свойства открытого ими фермента и назвали его теломеразой. Изучая этот фермент, они обнаружили входящий в его состав фрагмент РНК, на матрице которого и синтезируются повторяющиеся последовательности нуклеотидов, добавляемые теломеразой к концевым участкам хромосом. Это открытие было описано в статье, опубликованной в Nature.

Схема работы фермента теломеразы (telomerase). Фермент наращивает концевые участки хромосом, добавляя к ним одинаковые последовательности нуклеотидов. Этот процесс включает две чередующихся стадии: (a) элонгация, то есть удлинение, и (b) транслокация, то есть перемещение. Во время элонгации концевой участок цепочки ДНК связан с РНК-матрицей (RNA template), входящей в состав фермента, и удлиняется за счет присоединяемых к нему нуклеотидов, комплементарных свободному участку матрицы. Во время транслокации молекула ДНК сдвигается на несколько нуклеотидов, вновь освобождая участок РНК-матрицы, и цикл повторяется. При этом наращивается только одна цепочка ДНК, но комплекс других ферментов, основу которого составляет ДНК-полимераза, достраивает большую часть второй цепочки. Одноцепочечным остается только небольшой «хвост» в самом конце. Если бы не теломераза, такие хвосты сокращали бы длину двухцепочечной ДНК при каждом ее удвоении, и любая хромосома укорачивалась бы при каждом делении клетки.

Дальнейшие исследования, проведенные в лабораториях Блэкберн и Шостака, показали, что лишенные теломеразы клетки рано или поздно прекращают делиться и умирают. Многие типы раковых клеток, напротив, обладают повышенной активностью теломеразы, что способствует их бесконтрольному делению и образованию злокачественных опухолей. Как и предполагал Оловников, теломеры оказались важным инструментом регуляции как старения, так и возникновения рака. В настоящее время уже разработаны и проходят испытания лекарственные препараты, которые, возможно, позволят бороться с рядом форм рака за счет подавления активности теломеразы в раковых клетках.

С работой теломеразы связано также развитие врожденного дискератоза (dyskeratosis congenita) — редкого наследственного заболевания, которое вызывает преждевременное старение кожи. Симптомы этой болезни связаны с нарушениями в регуляции длины теломер. Врожденный дискератоз пока не умеют лечить, но дальнейшие исследования могут позволить найти способы останавливать его развитие.

Хотя общий принцип работы теломеразы уже ясен, еще предстоит выяснить многие важные подробности, в частности механизмы регуляции, не позволяющие теломерам неограниченно разрастаться и определяющие их сокращение у стареющих клеток. Что касается роли теломер в старении, здесь тоже по-прежнему многое остается неясным, хотя сокращение их длины действительно характерно для стареющих эукариотических клеток.

Согласно завещанию Альфреда Нобеля, каждую премию могут разделить не более троих ученых. Жаль, что в число получивших эту премию не вошел Оловников, предсказавший отмеченное ею открытие. Вместе с тем, Блэкберн, Грейдер и Шостак, посвятившие многие годы успешным экспериментальным исследованиям теломер и теломеразы, несомненно, достойны этой награды.