Ученым наконец удалось разгадать давнюю тайну. Исследователи обнаружили конкретный молекулярный переключатель, который сообщает стареющим клеткам, когда им следует навсегда прекратить деление.
Проблема теломер
Хромосомы имеют защитные колпачки на своих концах — это теломеры. Каждый раз, когда человеческая клетка делится, эти колпачки укорачиваются. Всего на крошечную долю за каждое деление.
Когда они становятся слишком короткими, начинаются проблемы. Клетка воспринимает обнаженные концы как поврежденную ДНК и нажимает на «аварийный тормоз». Деление останавливается безвозвратно.
Этот остановочный процесс называется репликативной сенесценцией. Это защитный механизм. Ваш организм заосторожные или поврежденные клетки останавливаться, чтобы они не превратились в опухоли.
Новое исследование, опубликованное в журнале Molecular Cell, доказывает, что этот «тормоз» управляется исключительно киназой ATM. Это сигнальный белок, который распознает разрывы ДНК и поддерживает стабильность генома.
«Наши результаты пролили свет на механизм, лежащий в основе старения человеческих клеток через репликативную сенесценцию».
Эти слова принадлежат Титии де Ланге, которая руководит Лабораторией клеточной биологии и генетики в Институте Рокфеллера. Она отмечает, что понимание этого процесса помогает объяснить, как наш организм естественным образом предотвращает развитие рака.
Кислородная головоломка
Существует странная особенность лабораторных клеток: в нормальном воздухе они погибают быстрее, чем в условиях с пониженным содержанием кислорода.
Нормальный воздух содержит около 20% кислорода. Ткани же нашего организма живут в среде с концентрацией кислорода от 1% до 8%.
Биологов долго раздражал этот разрыв. В течение многих лет они предполагали, что высокий уровень кислорода просто ускоряет разрушение теломер. Однако это предположение оказалось ошибочным: скорость эрозии теломер не была главной причиной.
Команда де Ланге начала подробное расследование. Они использовали первичные человеческие фибробласты: одни выращивали при 3% кислорода, другие — при 20%.
Работа при 3% кислорода — это настоящий кошмар для лаборантов. Нужно действовать быстро. Крайне быстро.
Если вы вынимаете образец из специального инкубатора даже на минуту, 20% окружающего воздуха разрушают молекулярную среду. Вы соревнуетесь со временем, чтобы добавить реагенты и переместить планшеты, не подвергая клетки воздействию атмосферы.
Александр Стюарт, бывший аспирант этой лаборатории, а ныне постдок в Гарварде, выполнил большую часть этой сложной работы. Он говорит, что это гонка: условия должны быть идеальными, иначе данные окажутся бесполезными.
ATM держит руку на пульсе
Стюарт сделал окончательный вывод: ATM — главный регулятор. Он обеспечивает сигнал к остановке независимо от уровня кислорода.
А вот и неожиданный поворот. Если заблокировать ATM, клетки продолжают делиться, даже когда теломеры становятся опасно короткими. Если затопить клетки белком TRF2 (который скрывает теломеры от датчиков повреждений), они тоже продолжают делиться.
Есть что-то еще более поразительное: можно «разбудить» спящие клетки.
Если клетка уже прекратила деление, блокировка ATM позволяет ей расти снова. Остановка не была окончательной. Она полностью зависела от этого одного белка.
Де Ланге отмечает, что пациенты с генетическими заболеваниями, при которых их теломеры остаются слишком длинными, заболевают раком до пяти раз до достижения 70 лет. Без «теломерного тормоза» опухоли бесконтрольно разрастаются. ATM — это механик, который тянет этот тормозной рычаг.
Почему кислород меняет всё
Но почему 20% кислорода заставляют тормоз срабатывать раньше, чем 3%?
Команда подумала, что высокий уровень кислорода может просто быстрее старить клетки или делать их более больными. Нет, это было не так.
Высокий уровень кислорода делает ATM гиперактивным. Он разгоняет двигатель.
При 3% кислорода клетки могут выживать с множеством очень коротких теломер, продолжая свое «разгрызание». Поместите те же самые клетки в воздух с 20% кислорода, и ATM заорет «пожар». Он воспринимает короткие концы как критическое повреждение ДНК и мгновенно останавливает процесс деления.
Речь не идет о том, что жизнь при низком кислороде продлевается. Это просто нормальная физиология. Настоящий вопрос в том, почему высокий уровень кислорода сокращает продолжительность жизни клеток.
Стюарт выразился наиболее точно:
«Я не считаю, что низкий кислород продлевает жизнь человеческим клеткам; это физиологическое состояние наших тел».
Он утверждает, что высокий уровень кислорода создает ложную стрессовую среду. Он делает систему ATM слишком чувствительной. Клетки умирают рано не потому, что они старые, а потому что система сигнализации работает в режиме повышенной чувствительности.
Химический замок
Причиной стали активные формы кислорода (АФК). Это молекулы, связанные с окислительным стрессом.
Удивительно, но более высокие уровни АФК наблюдались даже в условиях низкого кислорода в определенных контекстах. Скорее, способ взаимодействия ATM с ними меняется в зависимости от окружающей среды.
Стюарт и де Ланге обнаружили, что АФК заставляют белки ATM соединяться друг с другом. Они образуют химические мосты, называемые дисульфидными связями, и сбиваются в пары или димеры.
Когда ATM находится в форме димера, он не может выполнять свою работу. Он «глухнет» и не может правильно распознавать разрывы.
Подождите. Это звучит нелогично. Разве высокий уровень кислорода не делает ATM гиперактивным?
Да. Но здесь есть важный нюанс. Дисульфидное связывание регулируется. Екатерина Виноградова, руководитель направления химической иммунологии и протеики, помогла точно определить, где на белке ATM образуются эти связи.
Одна конкретная связь является ключевой. Она действует как дроссельная заслонка для кислородной регуляции.
Таким образом, при низком физиологическом уровне кислорода (3%) часть ATM застревает в неактивном димерном состоянии, либо регуляция настроена иначе, позволяя клеткам игнорировать незначительное укорочение теломер. При высоком лабораторном уровне кислорода (20%) ATM остается острым, реактивным и готовым вызвать апоптоз.
Чтобы избежать путаницы, давайте проясним выводы исследования: абстракт статьи гласит, что «ослабление сигналинга ATM АФК задерживает репликативную сенесценцию».
Это означает, что АФК действительно ослабляют способность ATM сигнализировать о повреждениях в физиологических условиях? Давайте перечитаем внимательно.
Исследование показало, что в условиях низкого кислорода происходит ослабление активности ATM. Но высокий кислород приводит к гиперактивному ATM?
Посмотрим на предоставленный текст:
«Высокий кислород не просто быстрее старит клетки… Вместо этого он переводит ATM в гиперактивное состояние ».
«Высокий кислород представляет собой гиперактивную настройку ATM, что приводит к меньшему количеству делений, чем клетки пережили бы естественно».
Хорошо, значит: Высокий O2 = Гиперактивный ATM = Ранняя остановка.
Тогда что насчет части про АФК?
«Механизм прослеживается до активных форм кислорода (АФК)… Эти молекулы заставляли белки ATM соединяться через химические мосты… Как только они заперты в этих димерах, ATM больше не может эффективно реагировать на разрывы ДНК…»
Здесь есть небольшая напряженность между упрощенным нарративом и техническими деталями. В тексте сказано, что АФК вызывают образование димеров, которые делают ATM неспособным эффективно реагировать.
Если высокий уровень кислорода вызывает гиперактивный ATM, почему АФК (которые присутствуют в обоих случаях) создают неактивные димеры?
Давайте придерживаться явного утверждения: Высокий кислород делает ATM гиперчувствительным/реактивным к коротким теломерам, вызывая раннюю остановку.
Деталь об АФК может объяснять механизм переключения. Возможно, при 20% кислород динамически сдвигается, чтобы предотвратить образование ингибирующих димеров или способствовать другому активному состоянию? Текст здесь немного плотный, но главный факт остается неизменным: уровни кислорода меняют чувствительность ATM.
Высокий кислород = ATM видит короткие теломеры как опасные. Останавливает деление.
Низкий кислород = ATM менее реактивен. Клетки делятся больше.
Это меняет всё в лабораторных исследованиях.
Если вы изучаете повреждение ДНК при 20% кислорода, вы изучаете stressed, гиперреактивную версию человеческой биологии. Де Ланге говорит, что вам, возможно, не нужно полностью переходить на 3%, так как это слишком сложно. Но вы должны проверять свои результаты. То, что в лаборатории выглядит как реакция на повреждение, может быть просто чрезмерной реакцией ATM на воздух в помещении.
Связь с раком
Опухоли хитры. Они растут в ядрах с низким содержанием кислорода.
В этих зонах активность ATM снижается. Это позволяет раковым клеткам выживать, даже когда их теломеры должны были бы остановить их.
Возможно, мы можем это исправить. Если мы сможем усилить активность ATM в этих опухолях с низким содержанием кислорода, мы сможем заставить раковые клетки войти в сенесценцию. Толкнуть их на «постоянный отдых».
Это путь подавления опухолей. Теломеры — это контрольно-пропускной пункт. ATM — это страж.
Страж сбит с толку кислородом, которым мы дышим в лабораториях.
Теперь мы знаем, как это компенсировать.
