Мат Ридли
Геномът (17) (Автобиография на един биологичен вид в 23 глави)

Към текста

Метаданни

Данни

Включено в книгата
Оригинално заглавие
Genome, (Пълни авторски права)
Превод от
, (Пълни авторски права)
Форма
Научнопопулярен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5 (× 5 гласа)

Информация

Сканиране, разпознаване и корекция
lucho3k (2019)

Издание:

Автор: Мат Ридли

Заглавие: Геномът

Преводач: Вихра Йомтова

Език, от който е преведено: английски

Издание: второ

Издател: Сиела софт енд пъблишинг АД

Град на издателя: София

Година на издаване: 2010

Тип: научнопопулярен текст

Националност: английска

Печатница: СИЕЛА

Главен редактор: Ваня Томова

Редактор: Лъчезар Карагьозов

Технически редактор: Божидар Стоянов

ISBN: 978-954-28-0638-7

Адрес в Библиоман: https://biblioman.chitanka.info/books/8429

История

  1. — Добавяне

Хромозома 14
Безсмъртието

Небето крие от всички създания Книгата на съдбата, цялата,

освен страницата за тяхното настояще.

Александър Поуп, Есе за човека

Ако гледаме от настоящето към миналото, геномът изглежда безсмъртен. Непрекъсната верига свързва по произход най-първия РНК-ген с гените, активни в нашето тяло днес. Тази верига се състои примерно от 50 милиарда копирания на гени, извършени през изминалите четири милиарда години. Не е имало прекъсвания или фатални грешки по пътя. Но миналото безсмъртие, би казал един финансист, не е гаранция за бъдещо безсмъртие. Да се стане прародител е трудно — в действителност естественият отбор изисква това да е трудно. Ако беше лесно, конкурентната надпревара, която предизвиква адаптивната еволюция, не би съществувала. Даже ако човешкият вид преживее още един милион години, много от живеещите днес няма да допринесат с нищо за гените на живеещите в бъдещето: техните потомци ще угаснат бездетни. Биологичните видове имат живот средно около 10 милиона години, като повечето от тях не оставят видове-наследници. Ние сме вече на пет милиона години и още не сме дали дъщерен вид. А ако човекът не просъществува, никой от нас няма да допринесе нищо генетично за бъдещето. И все пак, докато Земята съществува в сегашното си състояние, някое същество някъде ще стане родоначалник на бъдещи видове и безсмъртната верига ще продължи.

Ако геномът е безсмъртен, защо тялото умира? Четири милиарда години непрекъснато копиране не са достатъчни, за да избледнее записът в нашите гени и въпреки това с остаряването кожата постепенно губи еластичност. За да се изгради тяло от оплодената яйцеклетка, са необходими по-малко от 50 клетъчни деления и само няколкостотин още са необходими, за да се поддържа кожата в добро състояние. Има стара история за един цар, който обещал на един математик да го награди за някаква услуга с каквото той си поиска. Математикът поискал да има шахматна дъска с едно зрънце ориз на първия квадрат, две зърна — на втория, четири — на третия, осем — на четвъртия и т.н. За 64-тия квадрат той би имал нужда от почти двадесет квинталиона (точно 264 =18 446 744 073 709 551 616) зърна ориз, един невъзможно голям брой. Така е и с човешкото тяло. Яйцеклетката се дели веднъж; след това всяка дъщерна клетка се дели отново и т.н. Само след 47 деления получаваме тяло с повече от 100 хиляди милиарда клетки (247 =140 737 488 355 328). Някои клетки спират да се делят по-рано, други — продължават. Има тъкани, които през целия живот продължават да се обновяват. Много тъкани се създават от повече от 50 деления, а някои клетъчни линии може да се удвоят няколко стотици пъти. Това означава, че техните хромозоми са били „копирани“ няколкостотин пъти, достатъчно за да се „замъгли“ информацията, която те съдържат. И все пак петдесет милиарда копирания от зората на живота не са успели да направят нечетливи гените, които ние наследяваме.

Къде е разликата? Част от отговора е в хромозома 14, под формата на един ген, наречен ТЕР1. Продуктът на ТЕР1 е белтък, който е част от една необикновена биохимична машина, наречена теломераза. Отсъствието на теломераза, да го кажем направо, предизвиква стареене. Добавянето на теломераза прави някои клетки безсмъртни.

Историята започва през 1972 г. с едно наблюдение на Джеймс Уотсън, един от двамата откриватели на структурата на ДНК. Уотсън забелязва, че ДНК полимеразите, биохимични машини, които копират ДНК, не могат да започват от самия край на ДНК. Те трябва да започнат няколко „думи“ навътре в текста. Така текстът се скъсява по малко всеки път, когато се удвоява. Представете си копирна машина, която прави идеални копия на вашия текст, но всеки път започва от втория ред на всяка страница и завършва на предпоследния ред. Начинът да се справим с подобна умопобъркваща машина е всяка страница да започва и завършва с ред от повторена безсмислица, която не е фатално, ако се загуби. Точно това правят хромозомите. Всяка хромозома е гигантска, усукана, тридесетина сантиметрова ДНК молекула, която може да бъде копирана цялата, но без върха на двата края. А на края на хромозомата се намира повторена редица от безсмислен „текст“ — „думата“ ТТАГГГ, повторена отново и отново около две хиляди пъти. Този скучен участък е известен под името теломер. Съществуването на теломера позволява на устройствата, копиращи ДНК, да започват работа, без да изпускат някой от смислените текстове. Подобно на малкия пластмасов накрайник на връзките за обувки, теломерът пречи на края на хромозомата да се разръфа.

Всеки път обаче, когато една хромозома се копира, малка част от нейния теломер отпада. След няколкостотин копирания краят на хромозомата се скъсява дотолкова, че възниква опасност да отпаднат смислени гени. Теломерите се скъсяват с около 31 „букви“ на година, а в някои тъкани — и с повече. Ето защо клетките остаряват и престават да благоденстват след определена възраст. И това може да е причината, поради която телата остаряват. По въпроса обаче има яростни спорове. Осемдесетгодишен човек има теломери с дължина средно пет осми от дължината им при раждане.(1)

Гени не отпадат нито при яйцеклетките, нито при сперматозоидите, преките предшественици на следващото поколение. Причината е присъствието на ензима теломераза, чиято роля е да поправя изхабените краища на хромозомите, като удължава теломерите. Теломеразата, открита през 1984 г. от Карол Грейдър и Елизабет Блакбърн, е странно животно. Тя съдържа РНК, която използва като матрица, за да гради теломерите. Нейният белтъчен компонент удивително наподобява обратната транскриптаза — ензимът, който кара ретровирусите и транспозоните да се намножават в генома (вижте главата за хромозома 8). Някои мислят, че теломеразата е предшественик на всички ретровируси и транспозони, първият изобретател на презаписването от РНК към ДНК. Други мислят, че защото теломеразата употребява РНК (като матрица), тя е останка от древния свят, съставен само от РНК.(2)

Тук трябва да се отбележи, че „фразата“ ТТАГГГ, която се повтаря няколко хиляди пъти във всеки теломер, е абсолютно еднаква за теломерите на всички бозайници. В действителност тя е същата при повечето животни и даже при някои от първаците, такива като трипанозомите, предизвикващи сънната болест или при гъбите, такива като Neurospora. При растенията фразата има едно допълнително „Т“ в началото: ТТТАГГГ. Сходството е твърде голямо, за да бъде случайно. Изглежда теломеразата съществува от зората на живота и употребява почти същата РНК матрица при всички свои наследници. Любопитно е обаче, че ресничестите първаци — трудолюбиви микроскопични твари, покрити със самодвижеща се козина — се отличават и имат донякъде различна фраза, повтаряна в техните теломери, обикновено ТТТТГГГГ или ТТГГГГ. Може би си спомняте — ресничестите са тези организми, които най-често се отклоняват от иначе универсалния генетичен код. Трупат се доказателства, че ресничестите са особени същества, които не се вместват лесно в летописа на живота. Аз имам дълбокото чувство, че един ден ние ще решим, че те водят начало от самия корен на дървото на живота. Възникнали даже преди бактериите, те в действителност са живи останки от децата на съществото Пуоп, последният прародител, общ за всички живи същества. Признавам обаче, че това е спорно предположение — и отклонение.(3)

По ирония на съдбата пълната теломеразна машина е изолирана само при ресничестите, а не при хората. Ние още не знаем със сигурност кои белтъци изграждат човешката теломераза, а те могат да се окажат много по-различни. Някои скептици наричат теломеразата „този митичен ензим“, защото е трудно да бъде открит в човешките клетки. Ресничестите държат работещите си гени в хиляди мънички хромозоми, всяка оградена с два теломера. При тях е много по-лесно да се намери теломераза. Все пак група канадски учени започва да търси в библиотека от миша ДНК последователности, които наподобяват теломеразата на ресничестите. Учените намират миши ген, който наподобява един от гените на ресничестите, а след това бързо намират и съответния човешки ген. Група японски учени картира този ген върху хромозома 14. Генът произвежда белтък с внушителното, но издаващо неувереност име: свързан с теломеразата протеин 1 или ТЕР1. Изглежда обаче, че този белтък, въпреки че е важна съставна част на теломеразата, не е частта, която извършва самата обратна транскрипция по възстановяване края на хромозомите. По-късно е намерен по-добър кандидат за тази функция, но до написването на тази книга неговата генетична локализация е все още несигурна.(4)

Теломеразните гени са най-близо до това, което може най-лесно да наречем „гени на младостта“. Теломеразата изглежда е еликсир на живота за клетките. Компанията „Джирон“, съсредоточила дейността си върху изследване на теломеразата, е основана от Кал Харли — ученият пръв показал, че в делящите се клетки теломерите се скъсяват. През август 1997 г. „Джирон“ влезе в новините заради клонирането на част от теломеразата. Цената на акциите им незабавно се повиши двойно, но не толкова заради надеждата, че това ще ни даде вечна младост, а по-скоро заради възможността да се създадат противоракови средства — туморите изискват теломераза, за да продължат да нарастват. „Джирон“ продължи, като започна да обезсмъртява клетки с помощта на теломераза. В един експеримент учените взимат клетки, отглеждани в лабораторията, които нямат естествена теломераза и ги снабдяват с гена за теломеразата. Жизнени и млади, клетките продължават да се делят, много след като би трябвало да остареят и умрат. По времето, когато резултатът е публикуван, клетките с гена на теломеразата са били прехвърлили срока на очаквания им живот с повече от 20 деления и не са показвали признаци на умора.(5)

През нормалното човешко развитие гените, които правят теломераза, се изключват в почти всички тъкани още в зародиша. Изключването на теломеразата наподобява включването на сигнален часовник. От тук нататък теломерите отброяват броя на деленията във всяка клетъчна линия. В даден момент те достигат своя предел и казват: стоп. Репродуктивните клетки никога не включват таймера; те никога не изключват теломеразните гени. Злокачествените ракови клетки активират отново тези гени.(6)

Отсъствието на теломераза изглежда основната причина, поради която клетките стареят и умират, но дали това е основната причина телата да остаряват и умират? Има някои солидни доказателства в полза на тази концепция. Като правило клетките на артериите имат по-къси теломери от клетките на вените. Това отразява „по-трудния“ живот на артериалните стени, подложени на повече механични натоварвания, защото артериалната кръв е под по-високо налягане. Те се разширяват и свиват с всеки нов удар на сърцето, повреждат се повече и се нуждаят от по-чести поправки. Поправките включват делене на клетките, което „изразходва“ краищата на теломерите. Клетките започват да стареят и ние умираме от втвърдени артерии, а не от втвърдени вени.(7)

Стареенето на мозъка не може да бъде обяснено толкова лесно, защото клетките на мозъка не се обновяват. Но това не е фатално за теломерната теория. Помощните мозъчни клетки, наречени глиални, се делят и техните теломери следователно се скъсяват. И въпреки това днес много малко специалисти вярват, че стареенето е предимно натрупване на стареещи клетки, на клетки със скъсени теломери. Повечето от нещата, които ние свързваме със стареенето (рака, отслабването на мускулите, втвърдяването на сухожилията, побеляването на косата, промяната в еластичността на кожата), нямат нищо общо с неспособността на клетките да се делят. А в случая с рака проблемът е, че клетките се делят с твърде голям ентусиазъм.

Нещо повече, между различните видове животни има огромни разлики в скоростта на остаряване. Като цяло едрите животни, например слоновете, живеят по-дълго от дребните животни. Това на пръв поглед озадачава, защото са необходими повече клетъчни деления, за да се направи слон, отколкото мишка (ако клетъчните деления са тези, които водят до стареене). И летаргичните, бавноподвижни животни, каквито са костенурките и ленивците, за размерите си са дълголетници. Това води до изящно обобщение, толкова убедително, че сигурно би било вярно, ако лекарите управляваха природата: всяко животно през живота си извършва приблизително еднакъв брой удари на сърцето. Слонът живее повече от мишката, но неговият пулс е много по-бавен, така че животът им, измерен в удари на сърцето, е еднакво дълъг.

За беда има неприятни изключения от правилото. Тук за отбелязване са прилепите и птиците. Малките прилепи живеят поне тридесет години, като почти през цялото време ядат, дишат и помпат кръв в трескав ритъм (това се отнася и до прилепите, които не изпадат в летаргия). Птиците по правило живеят дълго, въпреки че кръвта им е по-гореща с няколко градуса от нашата, имат кръвна захар, поне двойно по-висока и консумацията на кислород е много по-усилена, отколкото при повечето бозайници. Има две известен фотографии на шотландския орнитолог Джордж Дънет, който държи един и същи буревестник, едната фотография — направена през 1950 г., а другата — през 1992 г. На двете фотографии буревестникът изглежда съвсем непроменен. Същото не може да се каже за професор Дънет.

За щастие, там, където биохимиците и лекарите не успяват да обяснят особеностите на стареенето, на помощ идват тези, които изучават еволюцията. Независимо един от друг Дж. Б. С. Холдейн, Питър Медауер и Джордж Уилямс предлагат най-задоволителното обяснение на процеса стареене. Изглежда, че всеки вид има програма за планирано стареене, избрана да отговаря на очакваната продължителност на живота и на възрастта, когато спира възпроизвеждането. Естественият отбор внимателно премахва всички гени, които могат да позволят повреда на тялото преди или по време на репродукцията. Отборът намалява репродуктивния успех или отстранява индивидите, които експресират такива гени в млада възраст. Останалите се размножават. Естественият отбор обаче не може да отстрани гените, които увреждат тялото след репродуктивната възраст — по време на старостта няма размножаване на успелите индивиди. Да вземем например буревестника на Дънет. Причината, поради която той живее по-дълго от мишка, е, че в неговия живот няма еквивалент на котката или бухала, т.е. той няма естествени врагове — хищници. Една мишка има малък шанс да преживее повече от три години, така че тези гени, които могат да увредят тялото на една четиригодишна мишка почти не са подложени на отбор и не могат да изчезнат. Буревестниците доживяват и се размножават до двадесетгодишна възраст, така че гените, които рушат тялото на двадесетгодишните буревестници, продължават безжалостно да се изкореняват.

Доказателствата за тази теория идват от изследванията, проведени от Стивън Остад на остров Сапело, разположен на около пет мили от брега на щата Джорджия, САЩ. На Сапело има популация от опосуми, която десет хиляди години е била изолирана. Опосумите, както много двуутробни, остаряват много бързо. По правило, още преди да навършат две години, опосумите умират от старост, жертви на катаракта (перде на очите), артрит, опадане на козината и паразити. Но това едва ли има значение, защото до две години те най-често умират, ударени от превозно средство, от среща с койот, сова или някой друг естествен враг. На Сапело, разсъждава Остад, където няма много хищници, опосумите сигурно живеят по-дълго. Така те ще бъдат подложени на селекция за по-добро здраве след двегодишната им възраст и телата им ще стареят по-бавно. Това се оказва вярно предположение. Остад намира, че на Сапело опосумите не само живеят по-дълго, но и остаряват по-бавно. Те се оказват достатъчно здрави, за да се размножават и през втората година от живота си (нещо рядко на континента), а техните сухожилия остават по-дълго еластични от тези на континенталните опосуми.(8)

Еволюционната теория на стареенето обяснява задоволително всички междувидови разлики. Тя обяснява защо бавно стареещите видове или са големи (слоновете), или добре защитени (костенурки, дикобрази), или са със сравнително малко на брой естествени врагове (прилепи, морски птици). Във всеки един от горните случаи действа силен селективен натиск в полза на версии на гени, които запазват здравето до по-късна възраст, защото смъртта от нещастен случай или хищници е по-рядка.

Хората от няколко милиона години насам са едри, добре защитени от оръжията си (даже шимпанзетата могат да прогонят леопард с пръчки) и нямат много естествени врагове. Така че ние остаряваме бавно — и вероятно все по-бавно с всяка изминала ера. Детската смъртност при хората преди настъпването на цивилизацията (около 50% до петгодишна възраст) е шокиращо висока по съвременните западни стандарти, но е ниска в сравнение с тази при другите животни. Прародителите ни от каменната ера са започвали да се възпроизвеждат на около 20 години, продължавали са до 35 и са отглеждали децата си за около 20 години, така че на около 55 години те са можели да умрат, без да изневерят на своя репродуктивен успех. Не е учудващо, че някъде между 55 и 75 годишна възраст повечето от нас започват да побеляват, стават трудно подвижни, немощни и глухи. Всички наши системи започват да отказват изведнъж, както в старата история за производителя на коли от Детройт, който наел един човек да обикаля гробищата за коли, за да види кои части са още здрави, та в бъдеще те да бъдат заменени с други, от по-ниско качество. Естественият отбор е направил всички части на нашето тяло да траят само толкова, колкото да видим децата си независими, но не повече.

Естественият отбор е направил нашите теломери толкова дълги, че да могат да издържат най-много 75–90 години употреба. Не се знае със сигурност, но изглежда естественият отбор е дал на буревестниците и костенурките донякъде по-дълги теломери от нашите, а на опосумите — значително по-къси. Може би даже разликите в продължителността на живота на отделните хора говорят за разлики в теломерната дължина. Несъмнено между хората има разнообразие в дължината на теломерите: от около 7 хиляди до около 10 хиляди ДНК „букви“ на хромозомен край. Дължината на теломерите до голяма степен се наследява, както и дълголетието. Хората от дълголетните семейства, които живеят до 90 години, може би имат по-дълги теломери, които се износват за по-дълго време. През февруари 1995 г. Жан Калман, французойка от Арл, стана първото човешко същество със свидетелство за раждане, което празнува своята 120-годишнина. При нея посланието ТТАГГГ може да е било повторено много пъти повече. Тя умира на 122 години; брат й е доживял до 97.(9)

На практика обаче мадам Калман вероятно би трябвало да благодари на други гени за своето дълголетие. Дългите теломери не помагат, ако тялото се износва бързо; те бързо ще се скъсят при необходимостта от клетъчно делене за поправката на повредените тъкани. При синдрома на Вернер, вродено заболяване, което се характеризира с ранно остаряване, теломерите действително се скъсяват много по-бързо, отколкото при останалите хора, но в началото дължината им е същата. Причината, поради която теломерите ускорено се скъсяват, вероятно е в това, че тялото няма способност да поправя повредите, предизвиквани от разяждащото действие на т.н. свободни радикали (молекули с несдвоени електрони, получени от окислителните реакции в тялото). Свободният кислород е опасен, както може да свидетелства всяко ръждиво парче желязо. Нашите тела също непрекъснато „ръждясват“ от действието на кислорода. Оказва се, че повечето от мутациите, които предизвикват „дълголетие“, във всеки случай при мухите и червеите, са в гени, които пречат на образуването на свободни радикали, т.е. те на първо място препятстват повреждането, а не удължават живота на клетките, които поправят повредите. Един ген при нематодите (кръгли червеи) позволява на учените да отгледат щам, който достига до такава изключителна възраст, че червеите, ако бяха хора, биха били на 350 години. Майкъл Роуз в продължение на 22 години селекционира дългоживеещи плодови мушици. При всяко поколение той размножава мухи, които живеят най-дълго. Неговите „метусалемови“ мухи сега живеят 120 дни или два пъти по-дълго от дивите мухи и започват да се размножават във възраст, при която дивите мухи обикновено умират. И засега нищо не говори за достигането на предел. Едно изследване на френските столетници води до откритието на три различни варианта на ген върху хромозома 6, който изглежда характерен за хората, живеещи дълго. Интересното е, че един от вариантите е често срещан при дълголетните мъже, а друг — при дълголетните жени.(10)

Оказва се, че стареенето е под контрола на много гени. Оценката на един експерт е, че в човешкия геном има седем хиляди гена, които влияят върху стареенето или 10% от общия брой гени. Това прави абсурдно да се говори за някой ген като за „ген на стареенето“ или като за „генът на стареенето“. Стареенето е повече или по-малко едновременното влошаване на много различни системи в тялото. Всеки ген, който влияе на функционирането на някоя от тези системи, може да предизвика стареене и в това има здрава еволюционна логика. Почти всеки човешки ген може безнаказано да натрупа такива мутации, които, след достигане на възрастта за размножаване, да предизвикват влошаване на функциите му.(11)

Не е случайно, че безсмъртните клетъчни линии, употребявани от учените в лабораториите, произхождат от ракови пациенти. Най-известна е линията ХеЛа, която произхожда от рак на шийката на матката на чернокожата пациентка Хенриета Лакс, починала в Болтимор през 1951 г. Нейните ракови клетки, когато се отглеждат в лабораторията, толкова енергично се размножават, че могат да „изместят“ другите лабораторни линии и да завладеят съда за култивиране. През 1972 г. те по някакъв начин достигат до Русия и карат учените там да мислят, че са открили нови ракови вируси. Клетките ХеЛа са били използвани при разработването на полиомиелитната ваксина и са летели в Космоса. Разпръснати по целия свят, сега те тежат над 400 пъти повече от тялото на Хенриета. Те са удивително безсмъртни. Никой не се е сетил да поиска разрешение от Хенриета Лакс или от членовете на нейното семейство, които са били разстроени, когато са разбрали за нейното клетъчно безсмъртие. Град Атланта, в израз на закъсняла признателност на тази „героиня на науката“, днес чества 11 октомври като ден на Хенриета Лакс.

Ясно е, че клетките ХеЛа имат прекрасна теломераза. В ХеЛа клетките може да се вкара антисмислова РНК, т.е. РНК, която съдържа точно обратното послание на РНК в теломеразата. Антисмисловата РНК се залепя към теломеразната РНК, теломеразата блокира и спира работа. Сега ХеЛа клетките не са вече безсмъртни. Те стареят и умират след около 25 клетъчни деления.(12)

Ракът изисква активна теломераза. Един тумор се освежава с биохимичния еликсир на младостта и безсмъртието. И все пак ракът е най-характерната болест на стареенето. С възрастта случаите на рак нарастват непрекъснато, по-бързо при някои биологични видове, отколкото при други. Няма същество на Земята, което през старостта по-рядко да заболява от рак. Главният рисков фактор за рак е възрастта. Факторите на околната среда, такива като пушенето, отчасти оказват влияние, защото ускоряват процеса на стареене. Те повреждат белите дробове, което изисква поправка, а поправките изразходват дължината на теломерите. Това прави клетките „по-стари“. Тъканите, особено силно предразположени да развият рак, са тези които през живота извършват най-много клетъчни деления. Това са кожата, тестисите, гърдите, дебелото черво, стомаха, белите кръвни телца.

Така че сме изправени пред парадокс. Скъсени теломери означават по-висок риск от рак. Но теломеразата, която пази теломерите дълги, е необходима на един тумор. Разрешението е във факта, че активирането на теломеразата е една от необходимите мутации, които трябва да станат, преди един тумор да стане злокачествен. Сега е ясно защо клонирането на гена за теломеразата предизвиква акциите на „Джирон“ да се покачат стремително на крилете на надеждата за откриване на общо лечение на рака. Побеждаването на теломеразата ще осъди туморите да страдат от бързото настъпване на старостта.