W poszukiwaniu eliksiru młodości

„Badania naukowe, inspirowane przez ciekawość, kształtują podstawowy stan wiedzy, który zasila jej praktyczne zastosowania”. Od tych słów zaczyna swój wykład skierowany do młodych polskich naukowców prof. Carol Greider. To będzie opowieść o telomerach, czyli podstawowych składnikach naszego DNA, które z każdym rokiem badań okazują się coraz bardziej kluczowe dla zdrowia i życia człowieka. Ale będzie to także lekcja o znaczeniu badań podstawowych dla rozwoju naszej wiedzy i jej późniejszego zastosowania w medycynie. Prof. Greider przekonuje, że należy iść pod prąd i szukać odpowiedzi na nurtujące nas pytania. „Gdy zaczynałam pierwsze doświadczenia, do głowy mi nie przyszło, że kiedyś dostanę Nobla – wspomina. – Nigdy nie pracowałam na Nobla. Pracowałam, bo zawsze chciałam wiedzieć, jak jest naprawdę”.

GENETYCZNE SZNUROWADŁA

Badania nad fundamentalnymi funkcjami życiowymi komórek mają kluczowe znaczenie do zrozumienia organizmu jako całości. To pionierskie doświadczenia George’a E. Palade’a, Alberta Claude’a i Christiana de Duve, dzięki którym po raz pierwszy mogliśmy zajrzeć do wnętrza komórek, doprowadziły do narodzin biologii komórki. Ich osiągnięcia uhonorowano Noblem w 1974 r. Ale potrzeba było kolejnych pokoleń naukowców, by rozwinęli tak popularną obecnie dziedzinę, jaką jest molekularna biologia komórki. Teraz naukowcom nie wystarczy już zajrzeć przez okno i popatrzeć, jak ustawione są meble w tym wielkim „domu”, którym jest komórka. Chcemy wiedzieć, co jest w garnkach w kuchni, jakie buty stoją w szafkach, a nawet w jakim stanie są ich sznurowadła.

Telomery stały się sławne na świecie, gdy w 2009 r. właśnie Carol Greider do spółki z Elizabeth Blackburn i Jackiem Szostakiem odebrali nagrodę Nobla za ich odkrycie. Jednak temat ten wraca na łamach czasopism naukowych, ponieważ wiele pytań związanych z nimi w kontekście procesów starzenia się i nowotworzenia czeka jeszcze na odpowiedź.

Czym właściwie są telomery? Otóż w każdej komórce naszego ciała znajdują się trzy metry DNA. Jak zmieścić taką długą cząsteczkę w przeciętnej komórce, np. w krwince czerwonej, która ma średnicę 8 mikrometrów (mikrometr to milionowa część metra)? Sposobem, który wymyśliła ewolucja, jest dokładne upakowanie cząsteczki DNA w jądrze komórkowym przy pomocy odpowiednich białek – w chromosomy. Człowiek ma w komórkach swojego ciała 46 takich chromosomów, a ich końcówki to właśnie telomery.

Telomery chronią chromosomy, w podobny sposób jak plastikowa końcówka chroni sznurowadło do butów. Ze względu na charakter procesu namnażania DNA, który zachodzi, kiedy komórka ma się podzielić, końce chromosomów – czyli telomery – skracają się. Uważa się, że owo skracanie związane jest z procesami starzenia się komórek i ich śmierci. Dlatego badania nad telomerami mają tak wielkie znaczenie w zrozumieniu procesów starzenia się organizmu na poziomie komórkowym i globalnym.

KOMÓRKA MUSI UMRZEĆ

Ale jest też drugie oblicze telomerów. Carol Greider swoje początkowe badania nad telomerami prowadziła na tetrahymenie – małym, wodnym pierwotniaku, który ma aż 40 tys. chromosomów. Razem z Elizabeth Blackburn zaobserwowały, że w wyniku kolejnych podziałów komórek długość DNA nie ulega zmianie, chociaż zgodnie z mechanizmem namnażania DNA, który zachodzi w ten sam sposób we wszystkich organizmach, DNA powinno się skracać. Naukowcy stwierdzili więc, że musi istnieć jakiś mechanizm, który pozwala odbudować brakujące fragmenty telomerów u tetrahymeny.

Te rozważania doprowadziły do odkrycia enzymu telomerazy, która uzupełnia brakujące końce DNA. Aktywność tego enzymu jest konieczna w komórkach embrionalnych, które dzielą się bardzo intensywnie. Natomiast w większości komórek dorosłego organizmu telomeraza jest nieaktywna. Dlatego końce chromosomów z każdym podziałem komórki ulegają skróceniu, co finalnie doprowadza do spontanicznej śmierci komórki. Niestety, enzym ten może się wymknąć spod kontroli i uaktywnić, do czego często dochodzi w komórkach nowotworowych. Wtedy jedna nieprawidłowa komórka z aktywną telomerazą dzieli się bez końca, co wiąże się z narastaniem guza. Warto pamiętać, że aktywacja telomerazy to nie jedyna przyczyna nowotworzenia. Jest to skomplikowany proces, na który składa się wiele czynników i wiele mutacji w DNA komórki. Naukowcy nie są jeszcze pewni, na którym etapie tego procesu telomeraza wymyka się spod kontroli i powoduje namnażanie się komórek, które niosą w swoim DNA inne zabójcze dla organizmu mutacje.

Prof. Greider podkreśla, że w naszych komórkach kluczowa jest równowaga. Zbyt krótkie telomery prowadzą do wcześniejszej śmierci komórki, natomiast nadmierna zdolność do wydłużania telomerów przez enzym telomerazę powoduje, że komórka się nie starzeje i ulega kolejnym podziałom, co również może mieć zabójcze skutki. Spontaniczna śmierć starych lub nieprawidłowych komórek (tzw. apoptoza) jest mechanizmem kluczowym dla utrzymania równowagi w organizmie.

Naukowcy zostali uhonorowani Nagrodą Nobla za odkrycie genów zaangażowanych w ten proces w 2002 r. Prowadzili oni badania na robaku C. elegans, ale można je wprost odnieść do sytuacji w ludzkich komórkach. Szacuje się, że dziennie w ludzkim ciele apoptozie ulega od 50 do 70 mld (!) komórek. Jednym z czynników prowadzących do spontanicznej śmierci komórki są nieprawidłowości w strukturze DNA. Jeżeli systemy zabezpieczające nie wykryją tych zmian, bo są one np. maskowane przez nadaktywną telomerazę, to komórka może się wywinąć śmierci i dalej się dzielić. Stanowi to wtedy potencjalne zagrożenie dla całego organizmu.

RECEPTA NA DŁUGOWIECZNOŚĆ

Nie istnieje jednak prosta zależność między długością telomerów a wiekiem człowieka. Ludzie w wieku 20 lat mogą mieć telomery o długości takiej samej co 70-latek. Nie można więc na tej podstawie przewidzieć długości życia. Dlatego badania nad zależnością wieku od długości telomerów wymagają szerokiej grupy testowej. Dopiero w kontekście całej populacji można zaobserwować tendencję do skracania się telomerów wraz z wiekiem.

Niedawno w magazynie „Lancet Oncology” ukazała się publikacja pochodząca z laboratorium Elizabeth Blackburn, w której zasugerowano, iż zdrowy tryb życia powoduje wydłużenie telomerów o kilka procent. BBC News od razu podchwyciło temat i ogłosiło, iż poprawa stylu życia „odwraca procesy starzenia na poziomie komórkowym”. Jest jednak zdecydowanie za wcześnie, by odtrąbić sukces i zacząć przepisywać uniwersalną receptę na długowieczność. Bowiem przedstawione w tej publikacji badania przeprowadzono na grupie – zaledwie – 10 mężczyzn i były to studia pilotażowe. Carol Greider obawia się, że te zmiany są zbyt subtelne, by miały większe znaczenie dla organizmu. Teraz trzeba koniecznie przeprowadzić testy na znacznie większej grupie ludzi.

Eksperci są zgodni, że na procesy starzenia się organizmu ma wpływ wiele czynników, nie tylko skracanie telomerów. Wystarczy chociażby uświadomić sobie, że człowiek ma generalnie krótsze telomery niż ssaki naczelne czy myszy, a mimo to żyje dłużej.

***

Ludzkość od zarania dziejów szukała sposobów na przedłużenie życia – eliksiru młodości. Minęły setki lat rozwoju nauki, a mimo to ciężko na razie znaleźć skuteczne terapie, które opóźniałyby nieuchronny proces starzenia. Nie wiadomo jeszcze, co kryje w tym względzie nasz genom. Coraz częściej podejmuje się inicjatywy sekwencjonowania DNA pochodzącego z komórek szczególnie długowiecznych osobników. Czy jest szansa, że odkryjemy „geny długowieczności”?

Ostatnio kilku zespołom badawczym udało się wykazać, że starzejące się komórki są obecne w rozwijających się embrionach i ich obecność jest konieczna do prawidłowego rozwoju zarodka. A zatem starość towarzyszy nam prawdopodobnie jeszcze przed naszym narodzeniem. 


Dr ANNA BARTOSIK (ur. 1984) jest doktorem nauk biologicznych Uniwersytetu w Heidelbergu. Obecnie prowadzi badania naukowe w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie.


Liczba telomerów w komórce somatycznej: 92
Długość przeciętnego chromosomu: 130 000 000 par zasad (czyli połączonych par nukleotydów – podstawowych składników DNA)
Średnia długość telomeru w chwili zapłodnienia: 10 000 par zasad
Średnia długość telomeru w momencie narodzin: 5000 par zasad
Funkcje telomerów:
* ochrona końca chromosomu przed degradacją
* umożliwienie całkowitej replikacji chromosomu
* organizacja chromosomów w jądrze komórkowym w trakcie podziału komórki