Нобелевская премия по медицине: хромосомы, теломеры и теломераза

В понедельник 5 октября Каролинский институт в Стокгольме объявил, что Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 год удостоились трое американских ученых - Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth H. Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) и Джек Шостак (Jack W. Szostak). Согласно формулировке Нобелевского комитета, их заслуга состоит в открытии того, "как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы".

Коротко - о лауреатах

Элизабет Блэкбёрн - самая старшая из троих. Она родилась в 1948 году в Австралии, в Хобарте, штат Тасмания. У нее до сих пор, помимо американского, имеется и австралийское гражданство. Блэкбёрн закончила университет на родине, в Мельбурне, докторскую диссертацию защитила в 1975 году в Англии, в Кембридже, а затем вела научные исследования в США - сперва в Йельском университете в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, потом в Калифорнийском университете в Беркли. С 1990 года и по сегодняшний день Блэкбёрн является профессором биологии и физиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Джек Шостак - второй по возрасту в тройке новоиспеченных лауреатов. Он родился в 1952 году в Лондоне, а детство и юность провел в Канаде. Шостак закончил университет Макгилла в Монреале, а докторскую диссертацию защитил в 1977 году в США, в Корнеллском университете в Итаке, штат Нью-Йорк. С 1979 года Шостак вел научные исследования в Гарвардской медицинской школе в Кеймбридже близ Бостона, штат Массачусетс - одной из лучших в стране. Сегодня он профессор генетики Массачусетской больницы в Бостоне и одновременно тесно сотрудничает с Медицинским институтом имени Хауарда Хьюза в Чеви-Чейз, штат Мэриленд.

Кэрол Грейдер - самая молодая из нынешних лауреатов. Она родилась в 1961 году в Сан-Диего, штат Калифорния, закончила Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, а докторскую диссертацию защитила в 1987 году в Беркли, причем ее научным руководителем была Элизабет Блэкбёрн. Затем Грейдер работала в знаменитой лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, которую возглавлял Джемс Уотсон, один и первооткрывателей структуры молекулы ДНК. С 1997 года Грейдер - профессор отделения молекулярной биологии и генетики Медицинской школы университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд.

Чуть подробнее - об их работах

Итак, в чем же состоит заслуга нобелевских лауреатов этого года в области медицины и каково значение их открытий? Работы, отмеченные теперь самой престижной в научном мире премией, были выполнены в период с 1979 по 1989 годы, то есть самой "свежей" из них уже 20 лет, а первой - и все 30. Кстати, такой временной лаг типичен для открытий, удостаивающихся Нобелевской премии, однако он свидетельствует не о косности и консервативности Нобелевского комитета, а о его стремлении действовать наверняка, не присудить награду открытию, которое потом окажется недостойным ее.

Так вот, изучая наследственный материал пресноводной ресничной инфузории вида Tetrahymena thermophila (это один из модельных организмов, широко используемых в лабораторных биологических и медицинских исследованиях), Блэкбёрн обнаружила на концах ее хромосом одну и ту же многократно повторяющуюся последовательность нуклеотидных оснований ССССАА. Функция этих структур была неизвестна.

В это же время Шостак в ходе экспериментов с линейными молекулами ДНК, своего рода мини-хромосомами, обнаружил, что они быстро деградируют, если их пересадить в клетки дрожжей. Встретившись на одной из конференций и ознакомившись с работами друг друга, Блэкбёрн и Шостак решили совместно провести опыт по преодолению барьера между двумя столь различными организмами как инфузория и дрожжи. Блэкбёрн изолировала нуклеотидную последовательность ССССАА из хромосом инфузории, Шостак присоединил эти фрагменты ДНК с обоих концов к тем мини-хромосомам, которые он пересаживал в дрожжи - и деградация прекратилась.

Эти специализированные структуры, расположенные на концах линейных хромосом, и получили название "теломеры". А то, что теломеры одного организма смогли защитить от деградации хромосомы в совершенно другом организме, указывало на наличие некоего неизвестного фундаментального механизма.

После открытия теломер встал вопрос об их природе. Грейдер, в то время аспирантка, начала поиск соответствующего фермента, участвующего в их синтезе, и в 1984 году действительно обнаружила такой фермент. Его анализ выявил, что он состоит из РНК и белковых структур. Фрагмент РНК содержал последовательность ССССАА и служил своего рода матрицей для синтеза теломер, а белковый компонент поддерживал сам процесс синтеза. Фермернт получил название "теломераза".

Позднее было доказано, что теломеры присутствуют в клетках практически всех живых организмов, как растительных, так и животных, от амебы до человека, хотя у разных видов они представлены разными последовательностями букв генетического кода. Именно теломеры, как показали лауреаты, предохраняют хромосомы от деградации также в процессе деления клеток. Теломераза наращивает теломеры на концах хромосом, чтобы ДНК-полимераза могла синтезировать полную копию хромосомы, включая и ее концы.

Тем не менее, при каждом цикле деления клетки теломеры слегка укорачиваются, то есть у дочерних клеток длина теломер чуть меньше, чем у родительской клетки. Этот феномен принято называть концевой недорепликацией. По достижении некоторой минимальной критической длины теломер дальнейшее деление клетки становится невозможным, и она погибает. Таким образом, концевая недорепликация является одним из ключевых факторов старения, а длина теломер может служить индикатором биологического возраста организма.

Сегодня уже не вызывает сомнения, что открытый американскими исследователями механизм носит фундаментальный характер и является одним из ключевых механизмов, регулирующих старение. Впрочем, на пресс-конференции, традиционно состоявшейся сразу же после объявления имен лауреатов нынешнего года, особо подчеркивалось, что биологическое старение - процесс комплексный и регулируется не одним, пусть и очень важным, а целым множеством механизмов.

Этот же механизм, судя по всему, связан и с некоторыми патологиями. Так, аномально низкая активность теломеразы замедляет рост и развитие организма, а аномально высокая может, по-видимому, сделать клетки бессмертными, то есть привести к их перерождению в злокачественные.