Кандидат биологических наук А.М. Оловников: "Моя работа - изобретать теории"

Демидовский лауреат в номинации «биология» Алексей Матвеевич Оловников (Институт биохимической физики РАН) — редкий в наше время биолог-теоретик, который сам «изобретает» проблему, предсказывает ее следствия и объясняет, как ее преодолевать или использовать. Так, выдвинутая им в начале 1970-х годов гипотеза об укорочении хромосом при удвоении клеток и о защите концов хромосом (теломер) специализированной формой ДНК-полимеразы (теломеразой в современной терминологии) позволила связать воедино серию разрозненных фактов и стимулировала соответствующие исследования в ряде биологических и биомедицинских дисциплин. Американские экспериментаторы, обнаружившие в клетках предсказанную Оловниковым теломеразу и изучившие ее активность по защите теломер, стали лауреатами Нобелевской премии 2009 года. Впрочем, решение Нобелевского комитета, которое широко обсуждалось в прессе, Алексей Матвеевич не комментирует. Наш разговор начался с вопросов о том, как он сделал свое открытие. Итак, слово лауреату:


 

    — После окончания биолого-почвенного факультета Московского университета я работал в Институте эпидемиологии и микробиологии РАМН им. Н.Ф. Гамалеи, занимался экспериментальной иммунологией и иммунохимией, тогда же заинтересовался теоретической биологией. Меня, как и многих, поразили экспериментальные данные американского исследователя Леонарда Хейфлика о существовании лимита клеточных удвоений. До этого считали, что клетки бессмертны, т.е. способны к неограниченному делению, а смертность организма объясняли тем, что он представляет собой систему («государство клеток» по Вирхову), а в системе всегда возникают сбои, ошибки, вот она и выходит из строя. Об эффекте Хейфлика я узнал случайно в кулуарах нашего института, а спустя некоторое время посетил в МГУ лекцию А.Я. Фриденштейна, специально посвященную этому вопросу. Я вышел с лекции абсолютно потрясенный! Оказывается, соматические клетки (клетки кожи, легких, других органов) способны удваиваться ограниченное число раз, примерно 50. Более того, в клетках заложена программа отсчета удвоений. После, например, двадцати удвоений Хейфлик замораживал клетки в жидком азоте, чтобы остановить деления. Когда клетки размораживали, они делали еще тридцать. То есть клетки как-то запоминали, сколько делений они уже выполнили.

    Мне казалось, что способность клеток помнить о лимите удвоений должна быть как-то связанной с ДНК. Но как? Каким образом? Перебирая варианты, я медленно брел по осенней Москве. И не находил ответа. А когда я спустился в метро и услышал грохот приближающегося к станции поезда, меня вдруг осенило. Я представил, что рельсы — это ДНК-матрица, а по матрице бежит поезд — ДНК-полимераза, делающая ее копию — реплику, и что эта реплика оказывается короче оригинала. Если бы ДНК-полимераза могла начинать копирование с самого крайнего нуклеотида матрицы, как бы с концевой части рельсов, то никаких проблем не возникало бы. Но ДНК-полимераза на это неспособна, она может присоединять нуклеотиды только к уже имеющимся затравкам, небольшим лежащим на матрице молекулам РНК, для синтеза которых используется особый фермент. Известно, что в ходе репликации ДНК сначала возникают фрагменты РНК-ДНК, из которых РНК удаляются, а промежуточные пробелы восполняются за счет ДНК-вых заплаток, синтезируемых ДНК-полимеразой. Однако на самом конце «хромосомных рельсов» пробел, образовавшийся после удаления крайней РНК-затравки, не может быть восполнен в виде ДНК в принципе, поскольку «поезд» — ДНК-полимераза — неспособен начинать самостоятельное копирование с конца «хромосомных рельсов». Получается, что любая линейная молекула ДНК имеет Ахиллесову пяту — свои концы, которые не воспроизводятся при репликации. Этот процесс концевой недорепликации я назвал маргинотомией. Дозированное укорочение копии ДНК по сравнению с матрицей на основе маргинотомии дает возможность отсчета выполненных клеточных удвоений, а следствием такой недорепликации участков теломерной ДНК на концах хромосом должны быть остановка делений и старение клеток.
 

— Но как же тогда возможна жизнь, как происходит смена поколений, если ДНК все время убывает?
 

— Этот вопрос возникает в первую очередь. Кстати, мы четко следуем порядку изложения и логике моей статьи о маргинотомии (Journal of Theoretical Biology, 1973). Естественно, нужно было понять механизм, который объяснял бы не только укорочение хромосом при делении, но и возможности защиты от этого укорочения. Я предположил, что в половых клетках природа создала особую форму ДНК-полимеразы (этот фермент и есть знаменитая теломераза), которая компенсирует их укорочение при делении и обеспечивает полноценную передачу генетической информации в бесконечном числе поколений. Таким образом, зародышевая линия не стареет. Способность бактерий к неограниченному размножению и их «бессмертие» хорошо объяснилось кольцевой формой их хромосомы: поскольку кольцо не имеет концов, бактерии не нуждаются в упомянутой компенсаторной ДНК-полимеразе. Еще один путь защиты от укорочения хромосом нашла дрозофила. У нее нет теломеразы, но зато на концы ее хромосом могут пристраиваться так называемые мобильные элементы, автономные последовательности ДНК, способные перемещаться по геному и встраиваться в него. Естественно, я не знал, что такой вариант природа изобрела для дрозофилы, но и этот способ противостоять процессу маргинотомии я тогда тоже предсказал.
 

— Способностью к неограниченному делению обладают не только половые, но и, как это ни печально, раковые клетки…
 

— Да, это так. То, что было создано природой для бессмертия зародышевой линии, открывает путь для ужасной патологии. Когда в клетке происходят поломки, мутации, она начинает искать разные варианты выживания, необязательно злокачественные. Однако если клетка все же становится на путь бесконечного размножения, то она может воспользоваться ДНК-полимеразой, которая компенсирует укорочение хромосом при делении, т.е. теломеразой. В подавляющем большинстве раков теломераза активирована. Впрочем, тут появляются возможности для нового фармакологического подхода. Ингибиторы теломеразы могут пополнить арсенал противораковых лекарств.
 

— Ваша гипотеза и теоретические предсказания начали получать экспериментальные подтверждения не сразу. Как шел этот процесс?
 

— Это заняло примерно четверть века и было связано с развитием соответствующих методов исследования. В 1980-е годы американские экспериментаторы Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн выявили в клетках теломеразу, затем Блэкберн совместно с Джеком Шостаком изучила ее активность по защите теломер. Именно эти трое экспериментаторов удостоились Нобелевской премии за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы от укорочения. Еще одна моя идея — о корреляции процесса клеточного старения с укорочением теломер — была экспериментально проверена и подтверждена другой группой (Харли, Фатчер и Грейдер, 1990). Затем в лаборатории лауреата Нобелевской премии (за обнаружение каталитической активности РНК) Томаса Чека был создан вектор, в котором была закодирована теломеразная активность. В 1998 году две независимые группы исследователей (Боднар и др., а также Вазири с соавторами) использовали этот вектор для иммортализации клеток (для достижения ими потенциального биологического бессмертия). Введя вектор в клетки, они смогли «омолодить» клеточную культуру, придав ей способность делиться неограниченно долго при сохранении в остальном нормальных свойств. Из фибробластов удалось впервые создать нормальные, но потенциально бессмертные клетки. Таким образом, мое предположение об укорочении теломер при старении как факторе, вовлеченном в ограничение числа делений, и о роли теломеразы в предотвращении клеточного старения получило экспериментальное подтверждение.
 

— Однако в дальнейшем вы начали подвергать сомнению некоторые положения своей собственной теории. Почему?
 

— Теломерная теория объясняла старение клеточных культур, тот процесс, который описал Хейфлик. Однако с течением времени накапливались данные, которые, как мне стало казаться, не укладываются в теломерную теорию старения целых организмов — мышей, нас с вами. Так, например, при сравнении диких и лабораторных мышей выяснилось, что длина теломер у них резко различается: у лабораторных она в 10 раз длиннее. Вроде бы и жить они должны дольше, чем их дикие сородичи, а оказалось, что живут тот же срок. Это прямо свидетельствовало против теломерной теории. Также были выведены мыши, у которых отсутствовала теломеразная активность. Они оказались полностью жизнеспособными, давали потомство несмотря на отсутствие теломеразной активности и старели, подобно всем остальным. Правда, в к 4–5 поколению появлялись проблемы со здоровьем, а 6-е оказалось бесплодным.
 

В целом предсказания теломерной теории экспериментально подтвердились, но не оправдалась надежда, что она станет универсальным принципом, объясняющим старение организма. Нужно было искать новое решение, которое бы объясняло, в частности, одинаковую скорость старения при разной длине теломер.
 

Я считаю, что в основе клеточного старения лежит укорочение особых, пока еще гипотетических, внехромосомных линейных молекул ДНК, несущих регуляторные гены. Я назвал эти молекулы принтомерами (когда они работают в делящихся дифференцированных клетках, поддерживая состояние клеточной специализации) и хрономерами (когда они работают в неделящихся нейронах мозга, отвечающих за контроль биологического времени, то есть за изменения организма в соответствии с его биологическим возрастом и старением). Старение объясняется теперь не укорочением теломер как таковых, а укорочением принтомер и тем самым снижением дозы регуляторных РНК, необходимых для поддержания оптимальной активности хромосомных структурных генов. Что касается укорочения теломер, происходящего одновременно с концевой недорепликацией линейных молекул принтомерной ДНК, то это просто сопутствующий процесс, а вовсе не первопричина старения.
 

Мои оппоненты иногда выдвигают такой аргумент: если принтомеры существуют, то почему их не видно в электронный микроскоп? Отвечу: чтобы найти нечто, надо знать, что искать. Ведь теломеразу тоже обнаружили не сразу. Кроме того, молекулярно-биологические исследования очень не дешевы, поэтому обнаружение принтомер — это вопрос и времени, и денег.
 

— А сами вы не занимаетесь экспериментальными исследованиями, проще говоря, не можете увидеть принтомеры в микроскоп?
 

— Нет, не моя специализация. Вообще-то в биологии, в отличие, например, от физики, разделение на теоретиков и экспериментаторов действительно не развито. Однако меня давно увлекает сопоставление фактов, которые предоставляет природа, наблюдают и исследуют экспериментаторы, а я нахожу их в литературе и комбинирую согласно их логике. Теоретик всегда сильно рискует, поскольку высказанные им идеи могут оказаться ошибочными. Мне, например, некоторые коллеги говорят: больше ты никогда не окажешься прав, потому что нельзя угадать дважды. Что ж, это покажет только время. Ведь я, как мне хочется верить, не угадываю, а сопоставляю и стараюсь выстраивать внутренне непротиворечивую картину. В биологии не выяснено очень многое. Сегодня, например, меня все больше волнуют нерешенные проблемы теории эволюции. Представляется, что теория Дарвина неполна в гораздо большей степени, чем полагали до сих пор.
 

У Алексея Матвеевича Оловникова есть серия теорий на разные темы. В последние годы он предложил, например, новую функцию для оболочки клеточного ядра как модулятора активности ядерных генов, выдвинул новую теорию, объясняющую механизм регуляции в организме долгопериодичных ритмов. И не исключено, что исследователи, которые займутся экспериментальным подтверждением его новых гипотез, будут удостоены в будущем престижных премий.
 

Подготовила Е. ПОНИЗОВКИНА