Теломеры и теломераза в процессе старения

Каждое деление клетки требует копирования ее ДНК. За это отвечает фермент ДНК-полимераза.

Он несколько напоминает поезд: движется по рельсам в виде двойной спирали ДНК и "буква за буквой" воспроизводит ее нуклеотидную последовательность, изготовляя идентичную молекулу, которая остается рядом с оригиналом.

Однако у ДНК-полимеразы есть существенный недостаток. По причинам, углубляться в которые нет необходимости, вся молекула ДНК этим ферментом никогда не копируется.

Иными словами, при каждом клеточном делении небольшой ее участок теряется, и скопированная цепочка оказывается короче исходной. Конец хромосомы постепенно "обгрызается".

Вторая возникающая с хромосомами проблема - их тенденция часто рваться из-за действия радиации и других неблагоприятных факторов. Клетке приходится сшивать возникающие обрывки. При этом, разумеется, она ни в коем случае не должна путать их с концами интактных хромосом, и, следовательно, ей надо каким-то образом различать эти два типа участков ДНК.

Частично такая проблема решается природой с помощью теломер. Эти концевые участки хромосом не содержат генетической информации, представляя собой монотонные повторы короткой последовательности нуклеотидов. Их укорочение при многократных копированиях ДНК и клеточных деления никакого вреда организму не приносит - пока теломеры остаются достаточно длинными. однако ее полного исчезновения бояться не стоит, поскольку существует фермент теломераза, который удлиняет эту бессмысленную концевую последовательность ДНК.

Точнее говоря, он решает сразу две проблемы. С одной стороны, экспрессирующие теломеразу клетки восстанавливают свои укорачивающиеся при каждом делении теломеры и могут делиться неограниченно долго. С другой стороны, сохранение теломер не позволяет механизму, устраняющему разрывы ДНК, сшивать разные хромосомы: бессмысленные концевые повторы распознаются соответствующими ферментами и оставляются в покое.

Люди и некоторые другие виды остроумно используют эту теломернотеломеразную систему для защиты от рака. Злокачественные клетки убивают организм только после многократного деления. Без теломеразы это невозможно: если теломеры не будут восстанавливаться, они постепенно исчезнут, концы хромосом, перестав отличаться от внутрихромосомных разрывов, в конце концов, соединятся, а в результате раковые клетки как минимум не смогут больше делиться. Поэтому кодирующие теломеразу гены в них по мере возможности отключаются.

Для восстановления активности этого фермента и, соответственно, способности раковых клеток к делению потребовалось бы много очень "удачных" мутаций. Хотя этот вопрос изучен меньше, у пожилых носителей цитомегаловируса (ЦМВ) наблюдается также избыток дефектных СD4-лимфоцитов, называемых Т-хелперами, которые помогают другим компонентам иммунной системы организовать контрнаступление на проникшие в организм патогены. Иными словами, у этих внешне здоровых людей происходит такая же клональная экспансия нацеленных на ЦМВ, но лишенных рецептора CD28 СD4-клеток, как и в их СD8-популяции. Результат - аналогичное перенасыщение специализированными лимфоцитами, не реагирующими на активацию антиген-презентирующими клетками.

Не активируясь ими, эти дефектные Т-хелперы не выполняют своей функции, т.е. не обеспечивают мобилизацию на борьбу с врагом СD8-лимфоцитов и других иммунных клеток. Такая ситуация - вместе с упоминавшейся выше неспособностью Т-киллеров эффективно атаковать свои мишени - дает цитомегаловирус беспрепятственно размножаться. Это ведет к дополнительным клональным экспансиям и дальнейшему усугублению иммунной дисфункции.

Клонально размножившиеся ЦМВ-специфичные СD8-клетки анергичны (неэффективны) и с других точек зрения. При первом заражении мышиным вариантом этого вируса молодые мыши вырабатывают очень активные Т-киллеры, распознающие не менее 24 его антигенов. Однако, когда инфекция становится хронической, их нацеленные на ЦМВ спецподразделения сокращаются до клонов, реагирующих в среднем лишь на пять таких белков. Кроме того, у пожилых людей с цитомегаловирусом анергические СD8-клетки реагируют на вирус слабее, чем у молодых его носителей, вырабатывая значительно меньше гамма-интерферона, одного из важнейших химических усилителей иммунологического ответа.
Плохие полководцы хороших армий
Вероятно, неспособность анергических Т-лимфоцитов бороться с ЦМВ-инфекцией ведет ко многим другим типичным для пожилых людей иммунологическим дисфункциям, которые нельзя объяснить никаким непосредственным эффектом старения этих клеток. Некоторые из таких эффектов можно было бы ожидать в связи с изменением выработки ими цитокинов, влияющих на активность прочих бойцов врожденной и адаптивной частей иммунной системы, однако другие вызывают гораздо более стойкие последствия, чем просто проблемы с химической сигнализацией.

Например, согласно широко распространенному сейчас мнению, старение Т-клеток объясняет возрастное снижение эффективности В-лимфоцитов, синтезирующих антитела к чужим антигенам и метящих таким образом патогены как мишени для разрушения другими клетками. Для созревания и выработки антител В-клеткам необходимы сигналы от Т-хелперов, поэтому доказательство того, что старость Т-клеток вызывает снижение эффективности В-лимфоцитарной системы, независимое от ее собственного старения, было лишь вопросом времени.

К сожалению, никто пока не выяснял, обусловлен ли такой эффект индуцированной цитомегаловирусом клональной экспансией Т-лимфоцитов, играющей важнейшую роль в развитии прочих аспектов старения всей их популяции. В результате мы не знаем, насколько сильно влияет на В-клетки такой специфический феномен, как анергизация Т-клеток.

Даже если отвлечься от механистических объяснений и молекулярно-биологических механизмов, реальное влияние ползучего подтачивания всей иммунной системы анергическими СD8-клонами на человеческое здоровье становится очевидным при изучении конкретных результатов этого процесса. Опыты на животных показывают, что возрастная клональная экспансия отдельных СD8-субпопуляций снижает разнообразие присутствующих в организме Т-клеток, а в итоге и их способность обеспечивать эффективную иммунную защиту. Примеры аналогичных этому эффектов у нашего с вами вида - ухудшение СD8-ответа на прививки от гриппа и происходящее несколько позже ослабление Т-клеточного иммунитета против вируса Эпштейна-Барр у людей с клональной экспансией ЦМВ-специфичных клеток памяти.
Подсчет потерь
Даже если бы влияние на организм клонов анергических Т-лимфоцитов ограничивалось повышением заболеваемости и смертности от инфекционных болезней, у нас было достаточно причин желать избавления от этих клеток. Однако есть достаточно веская причина полагать, что они способствуют также возрастному ослаблению организма, которые не находит очевидного иммунологического объяснения.

Прежде всего, у пожилых людей, пострадавших от гриппа или спровоцированной им пневмонии, наблюдаются удивительно долгие их последствия, существенно ускоряющие прочие патологические процессы и движение человека в сторону старческой беспомощности, а в конечном итоге и на кладбище. По многим данным, перенесенный в солидном возрасте грипп повышает риск смерти от неожиданных причин типа инфаркта миокарда и инсульта, а также от как будто не связанных с этой инфекцией респираторных заболеваний; кроме того, обостряется течение застойной сердечной недостаточности.

Далее, такое долгое выздоровление биологически старых людей от гриппа, накладываясь на их общую слабость, обусловленную другими аспектами старения, вероятно, способствует серьезной, зачастую пожизненной функциональной деградации и инвалидизации. Грипп нередко укладывает пожилого человека в больницу, порой на целых три недели, а исследования показывают, что каждый день постельного режима означает для него потерю до 5% мышечной силы и 1% аэробической выносливости. Однако, видя, как женщина в возрасте с трудом открывает дверь или, поскользнувшись на льду, ломает себе шейку бедра, никто не думает о перенесенной ею простуде или иммунологическом старении.

Можно вспомнить и о других старческих недугах, в развитии которых, по-видимому, существенную роль играют клоны анергических Т-клеток, но свидетельства этого не настолько очевидны. Одна из таких патологий - остеопороз. У пожилых женщин с остеопорозными переломами обнаружены более высокие уровни анергических СD8-клеток, чем у их сверстниц со здоровыми костями. При этом некоторые молекулярные механизмы наводят на мысль, что обилие таких дефектных лимфоцитов являются именно причиной, а не следствием снижение плотности и прочности костной ткани.

Кроме того, несмотря на сравнительную спекулятивность данного предположения, ползучая "клонализация" Т-клеточной популяции могла бы влиять даже на ход атеросклероза. Она ведет к хроническому воспалительному процессу, который, как известно, портит артерии, способствуя возникновению инфаркта миокарда. В пользу этой гипотезы говорит более высокий, чем у здоровых людей, уровень анергических СD8-клеток у пациентов с ишемической болезнью сердца - как при ЦМВ-инфекции, так и в ее отсутствие. Таким образом, ослабление иммунной системы является, по-видимому, как облегчающим фактором, так и результатом инфекционного поражения артерий, которое в свою очередь благоприятствует развитию атеросклероза со всеми его потенциальными последствиями.

Как уже говорилось, точные доказательства связи анергических клонов Т-клеток с этими отдаленными эффектами пока отсутствуют. Однако пара интересных исследований в рамках осуществляемого сейчас Европейским союзом проекта Т-КИС (Т-клеточный иммунитет и старение), уже приблизил нас к более четкой оценке летальной роли этой причины возрастного иммунодефицита - что бы в конечном итоге ни было написано в свидетельстве о смерти.

Эти исследования касались двух когорт "самых старых" жителей Швеции, т.е. тех, кому за 80 и за 90, причем охватывали только людей, практически здоровых по сравнению с большинством своих хронологических сверстников: с отсутствием в анамнезе серьезных заболеваний сердца, головного мозга, печени и почек, без рака, диабета, признаков активных инфекций или химических маркеров воспаления и не принимающих никаких лекарств, заметно действующих на иммунную систему, включая недавние вакцинации.

Европейские ученые обнаружили даже среди этих относительно здоровых стариков несколько человек с комплексом скрытых иммунологических дефектов ("фенотипом иммунного риска"), например различными формами возрастного поражения, которые можно объяснить цитомегаловирус-инфекцией, а значит, в не меньшей степени и клональной экспансией анергических ЦМВ-специфичных CD8-клеток.

Тот факт, что некоторые представители изученной здоровой, несмотря на большую хронологическую старость (по современным стандартам) выборки были свободны от клонов анергических Т-клеток, позволил проследить их "чистый" эффект в подгруппе, где присутствие таких лимфоцитов могло действительно способствовать развивающимся в следующие два года болезням, а не являться их результатом.

Никого не удивил результат наблюдений: фенотип иммунного риска, как и предполагалось, повышал вероятность скорой кончины, однако масштабы такого влияния шокировали. Оно было особенно выражено в группе людей старше 90, где этот дефицит позволял объяснить 57% смертности. Напоминаем: речь идет о возрастном ослаблении иммунной системы, вызываемом вирусом, активность которого многими из нас вообще не замечается, а в прочих случаях обычно ощущается лишь как легкое недомогание с повышением температуры.

Важно правильно понять все значение этого открытия. Фенотип иммунного риска способствовал всем причинам смертности, а не только повышал риск умереть от инфекционной болезни. Хотя внешние патогены, действительно, убивают многих биологически старых людей, микробные атаки объясняют полученные результаты далеко не полностью.
Война против клонов
По мере накопления данных, говорящих о роли клонов ЦМВ-специфичных CD8-клеток в возрастном ослаблении иммунитета, стала приоткрываться и светлая сторона этого феномена. Если иммунологическое старение в такой значительной степени объясняется экспансией Т-лимфоцитов, значит, ее предупреждение, а тем более обращение вспять должно (соответственно) защищать или восстанавливать молодое состояние иммунной системы независимо от нашего хронологического возраста. А значит, вакцины будут действовать на стариков так же эффективно, как и на юношей. И пожилые люди сбросят неподъемный груз инфекций, от которых молодежь избавляется, всего лишь пару ней не походив в школу или на работу.

Один из вариантов профилактики, поддерживаемый многими иммунологами, - вакцинация против цитомегаловируса. Еще до того, как выяснилась центральная роль ЦМВ-инфекции в возрастном ослаблении иммунной системы, опубликованный в 1999 доклад Медицинского института Национальной академии наук США, отмечая неудовлетворительные темпы разработки новых вакцин, поставил на первое место в списке неотложных задач создание эффективной анти-ЦМВ-вакцины. Подчеркнем, что авторы доклада исходили только из накопленной к тому времени информации о человеческих и финансовых потерях, вызываемых этим вирусом.

Позднее Национальное агентство США по программе вакцинации, придя к такому же выводу, запросило у правительства дополнительные средства на исследования в области вакцины против цитомегаловируса. Сейчас, когда получены четкие доказательства важной роли ЦМВ-инфекции в старении иммунной системы, многие специалисты высказываются за дальнейшее увеличение этих ассигнований.

Хотя польза такого подхода и выглядит бесспорной, стоит напомнить, что речь идет главным образом о профилактической стратегии. Она снизит риск заражения ЦМВ и, возможно, усилит иммунный ответ на него уже инфицированных людей, но не избавит их от вируса полностью и, естественно, не устранит накопленного за долгие годы его присутствия иммунологического ущерба.

Следовательно, такая вакцина спасет относительно небольшой процент младенцев от тяжелых врожденных дефектов и предотвратит безвременную кончину многих больных СПИДом и пациентов с пересаженными органами, однако почти не улучшит состояния сотен миллионов людей, уже страдающих от хронических инфекций и повышенной чувствительностью к патогенам из-за ослабления иммунной системы клональной экспансией анергических СD8-клеток.

Другие предложения, хотя бы потенциально устраняющие некоторые аспекты иммунологического старения, связаны с попыткой лечения дефектов уже существующих анергических Т-клеток методами генной терапии. Идея в том, что снабжение этих лимфоцитов генами, кодирующими их утраченные или недостаточно активные белки (например, СD28-рецептор или теломеразу), позволило бы восстановить эффективность выполнения ими своих специфических задач и предупредить угнетение прочих Т-клеточных популяций. Хотя подобный подход и выглядит логичным, польза его представляется слишком ограниченной, а путь клинической разработки - чересчур туманным.

Что же касается конкретно теломеразы, последствия ее активизации в любой клетке вызывают еще много вопросов и требуют более серьезного рассмотрения. Эти сомнения связаны с еще одной возрастной патологией - раком. Поскольку необходима хотя бы крошечная теломера для продолжения делений, каждое из которых ее укорачивает, клеткам с потенциально канцерогенными мутациями для превращения в злокачественную опухоль требуется механизм восстановления теломеры.

Почти все раковые клетки запускают его, срывая собственные тормоза с теломеразных генов. Стоит ли снабжать этими генами дефектные клетки, тем более учитывая риск случайного "заражения" геннотерапевтическими векторами "посторонних" клеток, в которых ни в коем случае нельзя включать теломеразу?

Более правомерным решением выглядит не реабилитация бездействующих лимфоцитов, а их уничтожение. Пожилым носителям цитомегаловируса, по-видимому, не хватает функциональных Т-киллеров, нацеленных на зараженные этим вирусом клетки. Причина такого дефицита - перенасыщение организма огромными субпопуляциями анергических лимфоцитов. Даже если нам удастся вернуть всем им полную иммунологическую компетентность, они будут создавать проблему, все еще ограничивая ресурсы, необходимые для сохранения наивных лимфоцитов и клеток памяти, необходимых для защиты от других патогенов.

Теоретически все выглядит просто. Избавившись от анергических Т-клонов, мы освободим иммунологические пространство для здоровых клеток других типов и специализаций, а том числе и для активных нацеленных на ЦМВ лимфоцитов.

Остается решить вопрос: как очистить организм от расплодившихся бездельников, оставив в живых всех (или хотя бы почти всех) их заложников, которых мы хотим избавить от угнетателей-тунеядцев. Онкологи уже располагают достаточно эффективными и не слишком вредными для организма в целом лекарственными и радиационными методами уничтожения сравнительно крупных опухолей в конкретных участках тела, однако этот подход неприменим в случае анергических Т-клеток, не сконцентрированных в отдельных местах, а распределенных по различным тканям и органам.

По той же причине бесполезно говорить о хирургическом вмешательстве. Опухоль можно вырезать (или как минимум урезать), добившись с определенным риском того или иного клинического улучшения. Однако в ближайшем будущем никаких способов индивидуального хирургического удаления анергических Т-клеток не предвидится.

Тем не менее, несмотря не неприменимость традиционных противораковых методов в качестве образца для разработки необходимой нам биотехнологии, последние впечатляющие успехи онкологов наводят на мысль о принципиальной возможности терапии, обеспечивающей избирательное избавление организма от не желающих умирать клеток.
Аромат Гливека
Даже если никто из ваших знакомых не болен раком, вы вполне могли слышать о гливеке (STI-571, или иматинибе), ирессе (ZD1839, или гефитинибе), герцептине (трастузумабе) и других менее известных или еще прокладывающих путь к больным лекарствах той же группы. Речь идет о так называемой "прицельной противораковой терапии", которую с полным основанием считают революционным новшеством. Даже формулировки типа "чудесных исцелений", абсурдно часто используемые в популярной медицинской литературе, не кажутся преувеличением тем, кто лично наблюдал исчезновение злокачественных опухолей в собственном теле или в организме своих близких, не сталкиваясь при этом с тяжелейшими побочными эффектами облучения и химиотерапии.

Конечно, эти лекарства тоже дают побочные эффекты - от них не свободно ни одно "нарушающее метаболизм" средство. Например, герцептин нацелен на ростовой рецептор HER-2: связывая его, он препятствует неконтролируемому размножению раковых клеток, которое стимулируется избытком копий этого рецептора на их поверхности. Однако нормальные клетки размножаются "как надо" тоже благодаря HER-2-стимуляции, только сравнительно слабой.

А в результате применение герцептина может вызывать смертельно опасную застойную сердечную недостаточность - побочный эффект, который недавние исследования обнаружили также у некоторых пациентов, пользующихся гливеком, который считался в высшей степени безвредным медикаментом - именно потому, что нацелен только на аномальную форму одного из трансдукторов ростовых сигналов.

Аналогичным образом, влияя на устойчивость анергических Т-лимфоцитов к апоптозу, можно было бы стимулировать их "самоубийство", однако остается вопрос: как не погубить попутно нормальные клетки?

Мы сумеем воспользоваться уже применяемой прицельной противораковой терапией (и, очевидно, будущими ее методами, еще находящимися на разных стадиях клинической разработки), создав на этой основе "умные бомбы", разрушающие анергические Т-клетки (и другие типы внутренних врагов, которые мы обсудим позже) с минимальными потерями для здоровых компонентов организма. Можно, например, было бы соединять тщательно подобранные токсины с молекулами, которые избирательно связывались бы с характерными поверхностными белками анергических клонов, в результате непосредственно убивая таких паразитов, а не просто вызывая в них метаболические нарушения.
Свет убивает вампиров
Один из противораковых методов, который можно было адаптировать для уничтожения наших анергетических Т-клеток, - фотодинамическая терапия (ФДТ). Больной получает лекарство, которое при освещении лазером либо сильно разогревается, либо выделяет массу свободных радикалов. Уже известны вещества, обладающие такими свойствами и избирательно поглощаемые раковыми клетками, в результате фотосенсибилизируя их, но, при этом, практически не изменяя свойств нормальных тканей.

Эти средства не дают эффекта, пока на них не действует определенное низкоэнергетическое лазерное облучение, которое со своей стороны никак не сказывается на людях, не получавших таких медикаментов: лучи без всякого вреда проходят сквозь их тело. Однако, когда они проникают в клетки, накопившие фотодинамическое лекарство, его свойства приводят к их резкому разогреванию или насыщению свободными радикалами. В результате эти раковые клетки гибнут, а все остальные (не считая находящихся в непосредственной близости) никак не страдают.

Первое ФДТ-средство, Фотофрин, было допущено в развитых странах для лечения далеко зашедшего рака легких, пищеварительного тракта и мочевыводящих путей еще в начале 1990-х. Сейчас используются или находятся в завершающей стадии разработки более совершенные варианты такой терапии.

Самое перспективное из ее средств, Рс-4, избирательно накапливается в определенных типах раковых клеток, поскольку хорошо растворяется в жирах, которыми особенно богаты эти клетки. Проникнув в них, Рс-4 благодаря особенностям своей структуры встраиваются в митохондрии. Последующее лазерное облучение запускает свободнорадикальную бомбежку, которая либо индуцирует апоптоз, либо - в худшем случае - убивает раковые клетки "грязным способом", сшивая их белки, окисляя липидные мембраны, разрушая ДНК мутациями.

medbe.ru