05.03.2018

У сейшельских камышевок длина теломер в сытые годы сокращается медленнее

Концевые участки хромосом — теломеры — играют ключевую роль в защите ДНК от повреждений. В течение жизни длина теломер постепенно сокращается. Это приводит к накоплению вредных мутаций, что, вероятно, играет роль в процессе старения. Сокращение теломер характерно как для людей, так и для животных, в том числе небольших птиц — сейшельских камышевок. У камышевок постепенное уменьшение длины теломер в течение жизни связано с обилием пищи: чем пищи больше, тем медленней сокращается длина теломер (а может даже увеличиваться!). В свою очередь, чем больше в среднем длина теломер данной птицы, тем дольше она проживет. А вот трудные голодные годы появлению камышевок-долгожителей не способствуют.

Под старением обычно понимают возрастные изменения, уменьшающие выживаемость(выживаемость — это доля особей, доживших до возраста n+1, по сравнению с количеством особей возраста n). Судя по всему, зависимость выживаемости от возраста характерна для всех многоклеточных организмов. Характер этой зависимости видоспецифичен: одни животные живут дольше других, даже родственных им. Например, среди грызунов долгожительством отличаются голые землекопы, а среди приматов — люди.

Судя по всему, старение — запрограммированный процесс, который может меняться лишь в относительно узких рамках и от которого никуда не деться. Так, червю Caenorhabditis elegans можно искусственно продлить или сократить жизнь, но в целом характер зависимости выживаемости от возраста при этом не изменится.

Что касается причин старения, то здесь еще много неясного. Тем не менее многие (но не все) исследователи основной причиной старения считают накопление молекулярных повреждений в клетках. Это нарушения экспрессии генов, накопление соматических мутаций, изменения концентрации различных метаболитов и другие причины. Повреждения накапливаются с возрастом постепенно. Из этого следует, что важную роль в продлении жизни клетки (и организма) могут играть способы защиты от молекулярных повреждений. За один из таких механизмов ответственны теломеры — концевые участки хромосом.

Теломеры играют ключевую роль в ограничении числа делений клетки и защите ДНК от повреждений. Это участки ДНК, в которых короткая последовательность из нескольких нуклеотидов повторяется много раз (эти короткие тандемные повторы у всех позвоночных одинаковы: это TTAGGG). Теломера выполняет свою функцию тем лучше, чем она длиннее. К сожалению, длина теломер в клетках сокращается в течение жизни, в том числе и у людей (рис. 2).

Отсюда логично предположить важную роль теломер в старении, в том числе у человека: об этом говорит теломерная теория старения. Сокращение длин теломер приводит к тому, что соответствующая ДНК больше подвержена повреждениям. Кроме того, длина теломеры ограничивает число клеточных делений и, соответственно, время жизни клетки: из экспериментов известно, что клетки без теломер существовать не могут и погибают еще во время роста. Одна из основных причин сокращения длин теломер с возрастом (точнее, в зависимости от числа делений данной клетки) — это недорепликация концевой ДНК. Из-за этого длина теломер сокращается на несколько нуклеотидов с каждым клеточным делением.

Недорепликация концевой ДНК

Проблема недорепликации происходит из особенностей процесса репликации ДНК у эукариот. Синтезирует цепь ДНК фермент ДНК-полимераза. Однако ДНК-полимераза не может синтезировать копию ДНК с самого начала — она может лишь добавлять нуклеотиды к уже существующей 3’-гидроксильной группе (с одной стороны цепь ДНК имеет на конце фосфат, и этот конец обычно обозначают 5', с другой — радикал OH, и этот конец обозначается 3'; процесс транскрипции идет от 5'- к 3'-концу). Таким образом, ДНК-полимеразе нужна «затравка» (праймер). Ее создает фермент праймаза, который на матрице ДНК синтезирует РНК-фрагмент (праймер), от 3'-конца которого и начинает работать ДНК-полимераза. Праймер затем удаляется, и, если он находится в конце цепи, новая ДНК на его месте не возникает. Именно поэтому в каждом цикле клеточного деления теломера (концевая ДНК) укорачивается на несколько (3–6) нуклеотидов.

Однако всё не так просто. Дело в том, что сокращение длин теломер в течение жизни, во-первых, происходит неравномерно. А во-вторых, может зависеть от внешних условий. Молекулярные механизмы этого пока мало понятны. Более того, реальных данных о влиянии условий жизни на длины теломер почти нет. Недавно новые данные на этот счет опубликовала международная группа ученых, много лет изучающая сейшельскую камышевку (Acrocephalus sechellensis).

Сейшельская камышевка живет лишь на некоторых островах тропического архипелага Сейшельские острова. В прошлом веке вид чуть не вымер: в 1968 году осталось лишь 26 птиц, обитающих на острове Кузен (Cousin Island). Сейчас, благодаря принятым мерам охраны, птиц стало более 2500. Встретить их можно не только на Кузене, но и на некоторых близлежащих островах, куда камышевок переселили искусственно.

Сейчас остров Кузен — заповедник. Сейшельских камышевок здесь изучают с 1986 года. Большинство птиц помечены индивидуально, многие — с рождения, то есть ученые могут проследить их судьбу от рождения до смерти (живут птички в среднем 5,5 лет). Для данного исследования у птиц периодически (несколько раз в течение жизни) брали образцы крови для анализа. Относительную длину теломер в каждом образце определяли с помощью метода количественной ПЦР (полимеразной цепной реакции), который называют также ПЦР в реальном времени. Метод количественной ПЦР используется для одновременной амплификации и измерения количества (концентрации) конкретной последовательности нуклеотидов в образце ДНК. В данном исследовании количество теломерной ДНК определяли относительно контроля — гена GAPDH (поскольку количество нуклеотидов этого гена на хромосому постоянно). Количество теломерной ДНК относительно количества ДНК контрольного гена называли относительной длиной теломеры. Изученный материал обширен: исследователи проанализировали 1057 проб, взятых от 402 птиц.

Выяснилось, что у сейшельской камышевки длина теломер действительно сокращается в течение жизни (рис. 3, а, в). При этом быстрее всего сокращение происходит в первые годы жизни — в период птичьей молодости. Ранее, в работе 2013 года, та же группа авторов показала, что чем меньше длина теломер у данной особи, тем больше вероятность, что она не доживет до следующего года (рис. 3, г) (см. E. L. Barrett et al., 2013. Telomere length and dynamics predict mortality in a wild longitudinal study). Но хотя вероятность дожить до следующего года зависела от длины теломер, она практически не зависела от возраста птицы!

Анализируя камышевок из разных когорт (то есть родившихся в разные годы), ученые выявили различия в динамике сокращения их длин с возрастом (рис. 3, б). Это наводит на мысль, что длины теломер как-то зависят от внешних факторов. Дело в том, что климат на Сейшельских островах непостоянен. Годы с обильными осадками сменяются засушливыми периодами. Во время засухи количество насекомых — основной пищи камышевок — сокращается, и птицам приходится несладко. Зато во влажные сытые годы они благоденствуют. И действительно, выяснилось, что длина теломер в среднем больше в годы с большим относительным обилием насекомых (рис. 4). Получается, что в «жирные» годы длина теломер сокращается медленнее.

Таким образом, получается, что у сейшельских камышевок длина теломер связана с выживаемостью (рис. 3, г) и уменьшается в течение жизни (рис. 3, а, в), при этом скорость сокращения их длины зависит от обилия пищи (рис. 4). Эти результаты говорят о том, что у диких птиц «правильное» (= обильное) питание способствует увеличению продолжительности жизни. А вот трудные голодные годы не способствуют появлению долгожителей. Любопытно, что это прямо противоречит другим данным, согласно которым жизнь продлевает голодание. Возможно, дело в том, что у камышевок продлению жизни способствуют некие «хорошие условия» жизни. А обилие насекомых либо само является одним из таких условий, либо коррелирует с такими условиями. Так что говорить о полезности «обжорства» пока рано.

Удивительно, но хорошие условия могут даже привести к удлинению теломер! Один из интригующих результатов данного исследования состоит в том, что теломеры у данной особи действительно могут удлиняться. Это можно увидеть на рис. 3, а, где соответствующие одной камышевке точки (в разные годы) соединены линиями.

Конкретные молекулярные механизмы выявленных взаимосвязей пока плохо понятны. Предполагается лишь, что более быстрое сокращение длин теломер в начале жизни (см. рис. 3, б) связано с ускоренным делением клеток в этот период взросления организма.

Подготовлено по материалам: Lewis G. Spurgin, Kat Bebbington, Eleanor A. Fairfield, Martijn Hammers, Jan Komdeur, Terry Burke, Hannah L. Dugdale, David S. Richardson. Spatio-temporal variation in lifelong telomere dynamics in a long-term ecological study // Journal of Animal Ecology. 2018. V. 87. P. 187–198.

Алексей Опаев

Источники:

1. elementy.ru