В 1971 году советским ученым А.М.Оловниковым был сформулирован принцип концевой недорепликации молекулы ДНК из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать концы хромосом. Дискретные теломерные сдвиги при каждом акте генного дублирования (репликации ДНК) и деления клеток автор положил в основу процесса старения соматических клеток. Однако материалы, представленные в настоящей статье, с большой очевидностью показывают, что потери теломерных единиц в хромосомах соматических клеток не имеют никакого отношения к процессу старения, а прекращение делений клеток не есть приближение их кончины.

В 1971 году биологом-теоретиком А.М.Оловниковым был сформулирован принцип концевой недорепликации молекулы ДНК из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать концы хромосом (теория маргинотомии). Дискретные теломерные сдвиги были положены А.М.Оловниковым, исходившему из теоретических предпосылок, в основу процесса старения соматических клеток. В результате после каждого акта удвоения хромосом, теломерная ДНК теряет, по разным подсчетам, от 50 до 200 нуклеотидов. В соматических клетках человека общая длина теломерной области составляет в среднем 10-15 тыс. нуклеотидов. Таким образом, клетка может безболезненно пройти примерно 50-100 митотических делений. Теломеры состоят из повторяющихся последовательностей ДНК — TTAGGG…

Напомню, что такое теломеры. Теломеры — нестандартные, терминальные гены (хромосомные органеллы), замыкающие конечные отрезки хромосом и не таящие в себе выраженные энергетические источники, способные участвовать в формировании признаков. Теломеры не позволяют склеиваться свободным концам, и их функция заключается в стабилизации величины каждого хромосомного множества, что существенно для обеспечения оперативных возможностей нормального деления хромосомы и нормированного ее поведения в промежутках между делениями.

Известно, что после каждого акта генного воспроизводства (или, говоря на языке молекулярной генетике, репликации молекулы ДНК) хромосома понижает свой ранг на определенное n число нуклеотидов.

И как только укорочение хромосом за счет потери теломерных единиц достигает какого-то критического предела, затрагивающего жизненно важные гены, тесно прилегающие к теломерным областям, то, как постулировалось, наступает полная остановка клеточных делений, развязываются аномальные регуляции, генетическая стабильность и функции клеток нарушаются, они постепенно теряют жизнеспособность, приобретая статус клеток, свойственный старческому предсмертному возрасту. Такие клетки, вставшие на путь смерти, называются сенильными или сенсцентными (клеточное старение).

Явление укорочения теломеров не было обнаружено в популяциях половых клеток и клеток, развивающихся по механизму злокачественного роста. Эти клетки преодолевают ограничения клеточной репликации и старения. А.М.Оловников предсказал присутствие в этих клетках какой-то формы фермента ДНК-полимеразы, способной достраивать концевые участки хромосом.

В середине 80-х годов году было сделано замечательное открытие, подтвердившее гипотезу А.М.Оловникова. Две американские тетушки Э.Блэкбёрн и К.Грейдер, впоследствии ставшие нобелиатками, идентифицировали и синтезировали фермент теломераза, включающий в себя молекулу РНК, выступающую как матрица для наращивания теломерную ДНК короткими повторами. Было показано, что активность этого фермента поддерживает на постоянном уровне длину теломерных участков хромосом, что позволяет клетке делиться бесконечно долго.

*******

 В 2001 году генетики А.П.Акифьев и А.И.Потапенко подвергли сомнению правильность теории Оловникова, заключив, что после последней репликации должен немедленно запуститься терминальный период онтогенеза. И тогда, например, нейроны мышей и человека, которые проходят последние митотические циклы во время беременности, к моменту достижения состояния конечной дифференцировки полностью исчерпывают свой пролиферативный потенциал. А если так, то согласно теломерной гипотезе, старение и смерть должны были бы наступить незадолго до рождения или на ранних постнатальных стадиях развития.

Интересно, но много ранее И.И.Мечников постулировал: «нервные клетки – эти благороднейшие элементы нашего организма — не размножаются и в молодости; поэтому их состаривание нельзя объяснить потерей воспроизводительной способности».

Также можно вспомнить слова А. Вейсмана: «…каждая клетка может произвести только данное число поколений, после чего клеточное размножение останавливается».

Ряд современных данных проливает свет на то, что у взрослых организмов, например, в нециклирующих дифференцированных нейронах ДНК накапливает повреждения в виде двухцепочечных разрывов. Именно эти разрывы могут влиять на процессы старения и продолжительность жизни. Так что, укорочения специфической ДНК из-за недорепликации ее концевых участков во время митоза не может использоваться в постмитотическом дифференцированном нейроне. Таким образом, старение и гибель клеток коррелированы с усилением генетической нестабильности или, в интерпретации известного нейрофизиолога из Кольцовского института В.Дьяконовой с повреждениями генетической информации.

Позже А.М. Оловников утверждал, что инициальный механизм старения связан с нейронами, но при этом он забыл упомянуть о том, что именно И.И. Мечников выдвинул теорию атрофии нервных клеток в старости: «Если существуют элементы, неизбежно обреченные на естественную смерть, то следует искать их среди клеток нервных центров».

В обзорной статье А. Масиейра-Коэльо «From Weismann’s theory to present day gerontology 1889–2003» приводятся данные, свидетельствующие о том, что у крыс средняя длина теломер в ранних незрелых мужских половых клетках – сперматогониях – была значительно короче по сравнению с таковой в более дифференцированных клетках сперматоцитах I порядка (стадия пахитены). (При этом известно, что сперматогониальный компартмент характеризуется высокой теломеразной активностью). На отрезке развития сперматогенных клеток – от сперматогониев до сперматозоидов — длина теломер увеличивается, и обратно коррелирует с проявлением активности теломеразы. Также установлено, что, например, дикие и лабораторные линейные мыши имеют соответственно небольшую и гигантскую длину теломер, но все мыши имеют при этом примерно одинаковую продолжительность жизни. Поэтому сами теломеры не могут в данном случае работать в качестве митотического счетчика. То есть, нет прямой зависимости продолжительности жизни и длины теломер.

И, наконец, напомним искренние слова автора открытия ограниченного числа делений клеток в условиях клеточной культуры Леонарда Хейфлика (так называемый предел Хейфлика): «…я не верю в то, что старение и смерть людей наступает вследствие прекращения деления их клеток».

*******

Под влиянием всех этих достоверно установленных фактов А.М.Оловников отказывается от теломерной теории старения:

«….я теперь отказываюсь от теломерной теории старения, хотя и сохраняю из своего прежнего подхода идею укорочения линейных молекул ДНК…, «…но сама по себе длина теломер или ее уменьшение не генерируют сигналов старения, которые могла бы понять клетка…».

«…теломерная модель клеточного старения должна быть отвергнута, так как теломерозависимый сигнал клеточного старения не обнаруживается…, «…укорочение теломер является лишь свидетелем, но не причиной старения».

Итак, подытожим: потери теломерных единиц в хромосомах соматических клеток не имеют никакого отношения к процессу старения, а прекращение делений клеток не есть приближение их кончины.

Кстати, еще с работы И.И.Шмальгаузена «Проблема смерти и бессмертия», вышедшей в 1926 году, известно, что падение энергии клеточных делений еще не означает падения жизненной энергии вообще; оно означает лишь изменение характера жизнедеятельности, когда процессы простого роста заменяются более сложными процессами развития.

Прекращение клеточных делений — это просто переключение хромосомной системы и клетки в целом на новый режим работы, фазовый переход в новое стационарное состояние, состояние термодинамического равновесия (при котором характерные параметры не меняются с течением времени), которое, по мнению Р. Фейнмана, представляет собой всего лишь один из подклассов всех явлений природы.

Оловников также признал, что генов старения не существует и что при укорочении теломерных концов вроде бы ничего не должно происходить, так как они якобы не несут никакой полезной информации.

В принципе ничего нового в этих признаниях нет. Давно известно, что никаких специальных генов старения, или, например, генов стерильности, или генов гениальности в природе нет. Это всего лишь удобные термины, создающие, как говорится, иллюзию ясности или маскирующие непонятность явления (Б.Л.Астауров). Гены, вовлеченные в процесс старения, могут составить сотни, если не тысячи единиц.

Что касается слов  Оловникова, что «…при укорочении теломерных концов вроде бы ничего не должно происходить, так как они якобы не несут никакой полезной информации…», то они фактически тождественны словам, сказанным много лет назад И.А.Рапопортом: «Теломеры не таят в себе выраженные энергетические источники, способные участвовать в формировании признаков».

*******

Геронтолог, знаток проблем старения В.Н.Анисимов сильно ошибается, считая, что А.М.Оловникову принадлежит честь основания нового научного направления – теломерной биологии.

На самом деле все самое ценное, что сегодня есть в современной теоретической генетике и биологии, принадлежит перу лауреата Ленинской премии, номинанта на Нобелевскую премию (1962), Героя Социалистического Труда, члена-корреспондента АН СССР И. А. Рапопорта. Причем первые работы Иосифа Абрамовича по теломерной проблеме датируются сороковыми годами XX столетия. Это — «Мутации, восстанавливающие теломер» (1941) и «Доказательство фрагментации хромосом» (1940).

ПОСТУЛАТЫ РАПОПОРТА

* Функция замыкания теломера своеобразна тем, что, будучи повторением способности остальных генных материалов, вести себя, как открытое множество во время аутокатализа, теломеры в это, как и во всякое другое время, не открывают для взаимодействия концы хромосомных нитей.

* митотический спектр теломеров отличается от нормальных митотических спектров генов на всех стадиях, но так, что это отклонение поляризовано по всей длине теломерного участка и достигает максимума в экстремальной его части.

* в процессе генного дублирования, когда на поверхности старой материнской нити растягиваются вакансии и заполнение этих вакансий новыми химическими нуклеотидами приводит к возникновению новой дочерней нити, многие вакансии в системе распределения нуклеотидов остаются незанятыми.

* теломеры не таят в себе выраженные энергетические источники, способные участвовать в формировании признаков.

* хромосомы, потерявшие теломерные участки, представляют собой активный материал.

* если удастся гомогенизировать теломерный материал в чистом виде, то он проявит свойства значительные по своим результатам не только для микрогенетики, но физики и общих представлений о материи.

В своих новых работах Оловников говорит о том, что у некоторых объектов укорочение теломерной ДНК может компенсироваться… добавлением готового фрагмента ДНК, приходящего к концу хромосомы извне.

И действительно, было показано, что в половых клетках дрозофилы теломерная ДНК, которая укорачивается из-за недорепликации, может компенсаторно удлиняться за счет траспозиционного механизма, приносящего фрагмент ДНК на конец теломеры.

Между тем еще в 1941 году И.А.Рапопорт постулировал, что мутация, восстанавливающая теломер в половых клетках дрозофилы, представляет собой скачкообразное необратимое блокирование активных групп за счет присоединения каких-то групп из цитоплазмы. И это следует рассматривать как терминальную репаративную мутацию. Другими словами, какая-то органелла, соответствующая теломеру, видимо, создается de novo, за счет репарации дефекта. Более того, И.А.Рапопорт на модели половых хромосом дрозофилы привел экспериментальное доказательство образования безтеломерных половых хромосом, способных к нормальной репродукции. Так что, теломеры являются заменимой структурой. Замена теломеры представляет своеобразную мутацию, восстанавливающую нормальный митоз.

*******

Итак, Оловниковская теория маргинотомии не является ни ядром, ни корнем старения. Однако она не обречена на забвение. Не замыкаясь на генетике и биологии в целом, феномен недорепликации теломерных ДНК во время митозов может шагнуть в область общенаучного интереса и синергетики. Так, по моему убеждению теорию маргинотомии можно рассматривать как теорию нарушения генетической симметрии во времени.

Суть симметрии, как утверждает немецкий математик Герман Вейль, состоит в том, что объект считается симметричным, если с ним можно сделать нечто такое, после чего он будет выглядеть точно также как прежде.

Молекула ДНК симметрична, если после репликации выглядит так же, как до репликации, т.е. осталась неизменной.

В хромосомной модели симметрия – это равномерность в расположении теломерных частей, обеспечивающих правильность в строении тела хромосомы, а операция симметрии – потеря теломеров, и, как следствие, конец симметрии и совершенства хромосомы. При изменении масштаба хромосомы в сторону уменьшения она уже не будет работать точно так, как работала. Однако активность хромосом сохраняется и жизненно важные гены продолжают безупречно функционировать.

Одновременно постулируется, что нарушение симметрии играет важную роль в клеточной дифференцировке. Если бы репликация ДНК и деление клеток всегда осуществлялись симметрично, это привело бы к образованию скопления опухолевых клеток вместо многоклеточного организма.

*******

С точки зрения термодинамического формализма и синергетических теорий регулярные потери оконечностей хромосом в n число нуклеотидов при каждом акте генного дублирования можно рассматривать как модель самоорганизованной критичности. Под самоорганизованной критичности следует понимать эволюцию системы с большим количеством взаимодействующих элементов к критическому состоянию, в котором малейшее термодинамическое возмущение порождает лавину скачкообразных катастрофических переходов в системе.

Потери теломерных единиц, впрочем, как и случайные мутационные отклонения, приводят к производству генетической энтропии. Правда, нарастание генетического (мутационного) беспорядка может и не влиять на генетические процессы подобно тому, как допускается возможность нарастания энтропии во Вселенной без угасания физических процессов.

Так что, в отношении хромосом соматических клеток понятия генетической стабильности или генетической упорядоченности становятся «незаконной идеализацией».

*******

По мнению И.А.Рапопорта, «…если удастся гомогенизировать теломерный материал в чистом виде, то он проявит свойства значительные по своим результатам не только для микрогенетики, но физики и общих представлений о материи».

Как известно, великий закон сохранения массы может нарушаться. При микрофизических и химических реакциях ничтожные количества вещества всегда куда-то деваются, и эти потери нельзя обнаружить даже с помощью очень чувствительных весов. Так:

При превращении нейтрона в протон и электрон масса 0.000029 «исчезает», она превращается в кинетическую энергию вылетающей β-частицы.

При сгорании 1 литра (700 г) бензина выделяется большое количество энергии, около 8 млн. калорий, которые эквивалентны потере всего 0.0000004 г. Это заметить просто невозможно.

Когда 4 ядра водорода превращаются в одно ядро гелия, масса изменяется от 4.03188 до 4.00280.

Таким образом, явление потери генетической массы при аутокаталитических процессах (генном дублировании, или, говоря на языке молекулярной биологии, репликации ДНК), не стоит особняком в ряду других явлений природы. Другими словами, законы, действующие в физических и химических системах, справедливы и для генетического мира.

*******

Между тем надо отдать должное Алексею Матвеевичу Оловникову. Он не останавливается в своих размышлениях и исследованиях и выдвигает новые гипотезы и теоретические схемы. Так, при получении Демидовской премии Оловников еще раз не преминул уточнить, что теломерная теория старения не верна, а ей на смену создана новая.

Действительно, в середине 2000-х Оловников выдвинул новую, еще более революционную теорию. Ее содержание он излагает в статье «Первопричина старения заключена в укорочении редумер – перихромосомных линейных молекул ДНК, а вовсе не теломер – «линеек» биологического времени».

Говоря более в общем плане, Оловников подтверждает: уменьшение теломеры – это индикатор числа делений. Но это не является причиной старения клетки. Клетка стареет, потому что одновременно с укорочением теломер укорачиваются редумеры. По Оловникову, редумеры – это гипотетические небольшие молекулы ДНК, которые располагаются на теле хромосом. Автор подразделил редумеры на два вида. Первые – это так называемые принтомеры, которые работают в делящихся клетках и активно участвуют в начальном развитии организма. И второй вид – хрономеры. Именно хрономеры, предположительное место нахождения которых – отдел мозга под названием «гипоталамус», и являются тем самым загадочным «счетчиком», который отсчитывает каждому из нас количество прожитых дней. Из-за укорочения активность редумерных генов уменьшается, из-за этого хромосомные гены не могут полноценно работать, и тогда клетка стареет. Хромосомные гены остаются в клетках сохранными.

Вообщем, Алексей Оловников считает, что редумерная гипотеза лучше объясняет процесс старения, чем теломерная гипотеза, так как в процессе возможного укорочения редумеров теряются регуляторные гены, входящие в состав редумеров и, значит, нарушается функция клетки. За процесс старения может отвечать идущее одновременно с укорочением теломер убывание длины редумер, которые как раз потенциально способны генерировать сигнал старения благодаря снижению дозы своих генов, теряемых с концов редумеры….

Пока признание новая теория А.М.Оловникова не получила. По той причине, что трудна для понимания, сумбурна, стесняет новыми терминами.

Однако надо подождать. Как говорится, ребенок должен вырасти.

Или, как говорил выдающийся ученый, академик АН СССР Аркадий Бенедиктович Мигдал: В науке существует «принцип соответствия», согласно которому новая теория должна переходить в старую в тех условиях, для которых это старая была установлена.

Есть ощущение, что Алексей Матвеевич Оловников знал о существовании «принципа соответствия». В противном случае не назвал бы свою новую гипотезу «Теломерно-редумерная теория старения».