В 2009 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol Greider) и Джек Шостак (Jack Szostack), открывшие фермент теломеразу. В последние годы теломераза постоянно находится в фокусе внимания исследователей всего мира. В ней видят и ключ к механизмам старения, и причину неудержимого размножения опухолевых клеток. Последний факт стал причиной того, что словосочетание «ингибиторы теломеразы» стало регулярно появляться в заголовках статей, посвященных терапии онкологических заболеваний.
Что же такое теломераза? Мы помним, что деление клетки начинается с удвоения ее хромосом, содержащих генетический материал. Обеспечивает это удвоение особый фермент – ДНК-полимераза. Это белок, функция которого состоит в том, чтобы, двигаясь вдоль цепочки ДНК, синтезировать другую такую же цепочку. Но тут, оказывается, есть проблема. ДНК-полимераза не может начать свою работу с самого кончика хромосомы. Она действует, как бы чуть отступив от начала цепочки ДНК. Поэтому при каждом удвоении (а значит – при каждом делении клетки) часть ДНК теряется, не попав под действие ДНК-полимеразы. Если бы потерянный участок содержал ценную генетическую информацию, например, гены, определяющие синтез важных белков, то такая потеря ничем хорошим для клетки не кончилась. Поэтому на концах хромосом расположены теломеры (греч. τέλος «конец», μέρος «часть») – некодирующие участки. Именно они и понемногу сокращаются при каждом делении клетки. У человека и других позвоночных животных теломеры содержат многократно повторенную последовательность из шести нуклеотидов – TTAGGG (два тимина, аденин, три гуанина).
Но постепенно, после новых и новых циклов деления, теломеры будут сокращаться всё больше. И тогда наступит момент, когда укорачивание хромосомы начнет сказываться. Тогда клетка стареет. В клетках существует особый белок, который может чинить разорвавшиеся хромосомы. Но если концы хромосом лишатся теломеров, то этот белок «принимает» их за разорванные части и может соединить между собой разные хромосомы. Когда подобных повреждений в геноме накапливается определенное количество, в клетке запускается программа апоптоза – механизма клеточной смерти.
Американский медик Леонард Хейфлик (Leonard Hayflick) еще в 60-е годы, когда ни о каких теломерах известно не было, обратил внимание, что клетки человека умирают, пройдя приблизительно 50 циклов деления. Это число получило название предела Хейфлика. Когда исследователи узнали о теломерах, механизм возникновения этого предела стал понятен. За каждое деление хромосома теряет примерно 3-6 нуклеотидов, а после 50 делений потери становятся критическими.
Однако в организме есть клетки, которые не должны стареть и умирать после 50 делений. Это клетки половой линии. Они должны размножиться, дать начало новому организму: всем его соматическим и половым клеткам, затем повторить это снова и снова. Как же им преодолеть предел Хейфлика? Вот тут на сцене и появляется особый фермент – теломераза.
Теломераза устроена остроумно: в ней есть белковая часть и молекула РНК. Теломеразная РНК окружена белком и служит шаблоном, по которому белок пристраивает к теломерам хромосомы новые участки, те самые последовательности TTAGGG. В результате теломеры вновь удлиняются, и клеточное старение останавливается. Клетка, снабженная теломеразой, способна на бесконечное количество делений.
В обычных клетках нашего организма теломераза неактивна. Она действует лишь в эмбриональных стволовых клетках, дающих начало всем другим типам клеток, и в половых клетках, потомки которых будут жить в организмах потомках. Однако есть случаи, когда теломераза проявляет свою активность совсем не к месту.
Оказывается, что в клетках большинства опухолей теломераза активна. И следовательно она обеспечивает им возможность многократно делиться. Показательный пример бессмертия опухолевых клеток – клеточная линия HeLa, которая используется в онкологических исследованиях. Ее клетки были получены в 1951 году в Балтиморе у пациентки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks, в честь нее и дано название HeLa), страдавшей раком шейки матки. Вот уже больше шестидесяти лет, как потомки этих клеток живут и делятся в сотнях лабораторий разных стран. Когда теломераза активна, никакой предел Хейфлика не страшен.
Раз теломераза позволяет раковым клеткам бесконечно делиться, то задача врача «отключить» теломеразу. Тогда теломеры в раковых клетках снова будут укорачиваться, после порогового числа делений клетки станут гибнуть, и рост опухоли прекратится. Значит, нужны ингибиторы теломеразы. Напомним, что ингибиторами называются вещества, которые замедляют или прекращают ход какой-либо химической реакции.
Среди компаний кластера биомедицинских технологий фонда «Сколково» разработки в этом направлении ведет ООО «Онкобиотех». Чтобы успешно конкурировать в гонке со множеством других разработчиков, которые тоже заняты подбором ингибиторов теломеразы, необходим ряд последовательных шагов. Сначала среди множества веществ подбирают те, которые могут обладать нужным свойством. Вот почему ученые по всему миру ищут наиболее эффективные ингибиторы, которые остановят деятельность теломеразы в опухолевых клетках.
При этом следует учитывать, что механизм действия у ингибиторов теломеразы может быть разным. Одни вещества нарушают структуру РНК-компонета теломеразы. Тогда фермент, лишенный шаблона, не может создавать новые участки теломера. Другие воздействуют на белковую часть, в этом случае шаблон в виде молекулы РНК сохраняется, но механизм его использования нарушен. Когда потенциально перспективное вещество найдено, нужно проверить другие его характеристики. Например, токсичность для клеток организма. Ведь если ингибитор будет останавливать рост опухолевых клеток, но при этом нарушать работу других органов, он никуда не годится.
После того, когда вещество-кандидат прошло первичный отбор, наступает пора экспериментов по проверке его эффективности. Сначала они проводятся, как говорят биологи, in vitro, то есть на клеточной культуре, а не в живом организме. Это могут быть клетки уже упоминавшейся линии HeLa или же другая культура опухолевых клеток. Если ингибитор успешно подавляет их размножение, можно переходить к следующей стадии испытаний.
Исследователи начинают эксперименты in vivo, когда для проверки эффективности препарата начинают использовать животных. Чаще всего в этой роли выступают мыши. Для исследований в области онкологии выведены особые генетические линии мышей, у которых наиболее часто возникают онкологические заболевания. Также биологи часто прибегают к трансплантации опухолевых клеток в организм здоровой мыши (такую опухоль называют «привитой»). Это бывает необходимым, когда надо работать с конкретным типом опухолевых клеток. При удачной пересадке трансплантант начинает расти, превращаясь в опухоль. После получения привитой опухоли, начинают терапию при помощи ингибитора теломеразы. Если веществу удается подавить рост опухоли в организме мы, они проходит и эту стадию испытаний. В данный момент ООО «Онкобиотех» работает над двумя новыми классами ингибиторов теломеразы, проводя их испытания на лабораторных животных.
